Introducción a la informática II





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1 INTRODUCCIÓN Adquisición Representación Tratamiento y Transmisión de la información Estas operaciones se realizan automáticamente utilizando las computadores. Informática

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2 Informática (origen francés) INFORMATICA = INFORmación + autoMÁTICA La Real Academia Española de la lengua define: Informática.- el conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores.

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3 Información: Conjunto de símbolos usados para representar magnitudes, hechos, objetos o ideas Computadora: es una máquina capaz de aceptar unos datos de entrada, efectuar con ellos operaciones lógicas y aritméticas, y proporcionar la información resultante a través de un medio de salida; todo ello sin intervención de un operador humano y bajo el control de un programa de instrucciones previamente almacenado en el propio computador

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4 Datos… Conjuntos de símbolos utilizados para expresar o representar un valor numérico, un hecho, un objeto o una idea. Pueden ser captados directamente por el computador: Detectando electrónicamente un sonido o fonema, una temperatura, el entorno de una figura, o el paso de un objeto Pueden ser dados en forma de letras y números (grafismos). Los grafismos (caracteres) resultan muy útiles, dada la gran variedad de informaciones que con ellos se pueden representar Es una de las formas más habituales de transmitir, comunicar o almacenar información en la sociedad actual: el lenguaje escrito Los mas usados son: caracteres numéricos (las diez cifras decimales) los caracteres alfabéticos los caracteres especiales (símbolos ortográficos, aritméticos y otros)

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5 Datos de Salida… Son las salidas de un programa como: Los resultados de un cálculo matemático Los resultados la búsqueda de un nombre Estos pueden utilizarse como datos de un programa posterior La palabra dato se utiliza como contraposición a instrucción El computador actúa con dos tipos de informaciones: Instrucciones: que indican a la máquina qué es lo que tiene que hacer Datos: que son los elementos sobre los que actúa o que genera el programa La disciplina de Informática es el cuerpo de conocimiento que trata del diseño, análisis, implementación, eficiencia, y aplicación de procesos que transforman la información.

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6 Informática como ciencia y técnica Ciencia: Estudio de la información y los métodos para tratarla. Técnica: Estudio y diseño de los ordenadores.

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7 Estructura funcional de los computadores …Diagrama de los primeros computadores es conceptualmente válido hoy día. Antes, era fácil identificar a simple vista cada una de las unidades. En la actualidad, y debido principalmente al desarrollo de la microelectrónica, varias unidades pueden estar en un mismo armario, en una misma tarjeta de circuitos integrados, o incluso (como ocurre con los microprocesadores) en un mismo circuito integrado.

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8 Unidades funcionales… UNIDAD DE ENTRADA (E). Es el dispositivo por donde se introducen los datos e instrucciones. Transforman la información de entrada en señales binarias de naturaleza eléctrica. Ejemplo: el teclado de un microcomputador, el teclado de un terminal, un digitalizador, una lectora de tarjetas de crédito, etc. UNIDAD DE SALIDA (S). Es un dispositivo por donde se obtienen los resultados de los programas ejecutados en el computador. Transforman las señales eléctricas binarias en caracteres escritos o visualizados. Ejemplo: una pantalla o monitor, una impresora o un registrador gráfico. MEMORIA (M). Unidad donde se almacenan tanto los datos como las instrucciones.

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9 Tipos básicos de memoria: Memoria principal, o central, o interna. Mayor velocidad Ligada directamente a las unidades más rápidas del computador (UC y ALU) Para que un programa se ejecute debe estar almacenado (cargado) en la memoria principal La memoria está dividida en posiciones (denominadas también palabras de memoria) de un determinado número de bits. Para leer o escribir una información es necesario dar la dirección de la posición ROM: la memoria en la que sólo se puede leer y la información es permanente RAM: se puede leer y escribir y que es volátil. Memoria masiva auxiliar, secundaria o externa. La memoria principal, aunque es muy rápida pero no tiene gran capacidad para almacenar información. Para guardar masivamente información se utilizan otros tipos de memoria (discos, cintas y discos ópticos) Más lentos (mil veces mas lentos) Más capacidad que la memoria principal (mil veces más capaces) Datos y programas se graban (a través de unidades de E) en la memoria masiva La información guardada es permanente

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11 Cont… UNIDAD ARITMETICO-LOGICA o ALU (Arithmetic Logic Unit) Contiene los circuitos electrónicos con los que se hace las operaciones: Aritméticas Sumas Restas Multiplicación, etc Lógicas comparar dos números operaciones del Algebra de Boole binaria, etc. También se puede denominar unidad de tratamiento o camino o ruta de datos, pues también tiene elementos auxiliares por donde se transmiten o almacenan temporalmente (registros) los datos con que opera.

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Cont… UNIDAD DE CONTROL (UC) Detecta señales de estado procedentes de las distintas unidades, indicando su situación o condición de funcionamiento. Capta de la memoria una a una las instrucciones del programa, y, de acuerdo con el código de operación de la instrucción captada y con las señales de estado, genera señales de control dirigidas a todas las unidades, monitorizando las operaciones que implican la ejecución de la instrucción. Reloj o generador de Pulsos Se encuentra en la unidad de control, por medio de los pulsos sincroniza todas las operaciones elementales del computador. El período de esta señal se denomina tiempo de ciclo (nanosegundos y varios microsegundos). La frecuencia del reloj (millones de ciclos/segundo, o Megahercios, abreviadamente Mhz) Es un parámetro que en parte determina la velocidad de funcionamiento del computador.

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13 Otros elementos… El computador es un sistema complejo que está formado por distintas unidades, módulos o dispositivos ensamblados adecuadamente uno con otro. Periféricos: Conjunto de unidades de E/S y de memoria masiva. Interfaces (o interfases): Adaptan las características (niveles eléctricos, velocidad, etc.) de dos módulos que se acoplan, para que la conjunción de los dos funcione adecuadamente, o entre un módulo y su entorno. Sirven de comunicación entre los dos módulos El concepto de interfaz se aplica también a los programas: Interfaz entre dos programas o Interfaz de usuario Interfaz de usuario: conjunto de instrucciones que hace que un programa o aplicación intercambie información con el usuario del mismo

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14 Parámetros para caracterización de Prestaciones Capacidad de Almacenamiento: Posibilidades para almacenar datos e instrucciones de una forma fija o permanente. Tiempo de Acceso: de una unidad es el intervalo de tiempo que transcurre desde el instante que se proporciona la dirección del dato/Instrucción que se quiere Leer o Escribir (E/L, I/O) y el instante en se obtiene o grava en el mismo. Ancho de banda: Representa la cantidad de información transferida por segundo entre una unidad y otra. Por ejemplo, el ancho de banda entre la memoria y la CPU es de 133 MB/s, En un segundo se pueden transferir 133 millones de bytes entre las unidades citadas. Palabra: es una unidad superior a la byte, pues este es una unidad de información relativamente pequeña para los cálculos que realiza la ALU Está formada por un número entero de bytes (1, 2, 4, 8 o 16) Representa a los datos con los que opera la ALU o a las unidades de información que se transfieren entre la memoria principal y la CPU.

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15 Longitud de palabra: número de bits (integrantes de datos o instrucciones) que se transmiten simultáneamente entre las unidades del computador central en un instante dado. Coincide con el número de bits de la mayoría de los datos e instrucciones con las que opera la CPU. En la mayoría de computadores de longitud de palabra de 32 bits el direccionamiento a memoria se efectúa por bytes, y es posible acceder directamente a bytes (8 bits), medias palabras (16 bits), y palabras (32 bits). Algunos incluso permiten acceder a dobles palabras (64 bits). La longitud de palabra determina, en cierta medida, la precisión de los cálculos, la capacidad máxima de la memoria principal y la variedad de instrucciones de la máquina. Registros. Elementos internos a la CPU, para memorizar temporalmente la información correspondiente a una palabra o a un byte. Ejemplo: cuando la ALU realiza una suma, ésta se efectúa entre dos datos que temporalmente la UC los almacena en dos registros, el resultado de la operación, a su vez, debe almacenarse en un registro (suele utilizarse uno de los dos sumandos). Cont…

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16 Factores importantes que determinan la potencia de un computador Son: La longitud de palabra, El tiempo de ciclo, El ancho de banda y La capacidad de memoria

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17 Estructuras Básicas de Computadores Las unidades funcionales de un computador se interconectan de acuerdo con una determinada organización. La interconexión se realiza mediante hilos conductores en paralelo que transmiten simultáneamente información (una palabra de datos, por ejemplo). Se consigue una velocidad razonable de funcionamiento. BUS: Conjunto de cables que transmite información en paralelo Son de tres tipos: sub-bus de datos sub-bus de direcciones sub-bus de control

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18 Cont… Sub-Bus de Datos Transporta los datos que se transfieren entre las unidades. Su número de hilos determina la longitud de palabra del computador. Si un computador contiene un sub-bus de datos de 16 hilos para transmitir simultáneamente datos de 16 bits, se dice que esta organizado en palabras de 16 bits. Suele ser bidireccional; transmite información hacia adentro o hacia afuera de una unidad (la CPU, por ejemplo), en instantes diferentes. Sub-Bus de Direcciones Transporta la dirección de posición de memoria o del puerto periférico que interviene en el tráfico de información (de donde procede el dato o a donde se dirige). Sub-Bus de Control Contiene hilos que transporta las señales de control y las señales de estado, indicando la dirección de la transferencia de datos, coordinando la temporización de eventos durante la transferencia, transmitiendo las señales de interrupción, etc.

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19 Las formas más sencillas de interconexiones de unidades son: a) Organización con un bus específico para conexión CPU- Memoria Dispone de un bus específico de interconexión CPU-Memoria. Todo el tráfico de información entre periféricos y memoria, necesariamente ha de hacerse a través de la CPU. (Gp:) Memoria (Gp:) CPU (Gp:) Periférico 0 (Gp:) Periférico 1 (Gp:) Bus del sistema a)

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20 Cont… b) Organización con estructura de bus único Esta configuración es más sencilla, y utiliza un único bus. Todas las unidades se conectan a él. Este bus se denomina bus del sistema. Como en un instante dado sólo puede transmitirse una información por el bus, solo una unidad (el procesador ) puede tener el control del bus del sistema. La ventaja principal de esta estructura es su bajo coste y flexibilidad para conectar periféricos. (Gp:) Bus del sistema b) (Gp:) Memoria (Gp:) CPU (Gp:) Periférico 0 (Gp:) Periférico 1

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21 Problema en el funcionamiento global del computador: Es el de las diferentes velocidades operativas del mismo. La CPU es mucho más rápida que la memoria principal (unas 10 veces) La memoria es muchísimo más rápida que los periféricos (unas 200.000 veces). En toda transferencia de información entre dos unidades la unidad más lenta impone la velocidad Por esto el rendimiento global del computador sería muy bajo. Recordemos que en toda instrucción máquina al menos hay una transferencia entre CPU y M. Esto relentiza considerablemente la velocidad de la CPU. Solución Se han ideado diversas técnicas: memoria caché, controladores de E/S y controladores DMA

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22 Memoria Oculta o Caché Es una pequeña memoria rápida que se coloca entre la memoria principal y el procesador, de forma tal que éste se comunica directamente con ella y no con la memoria principal. Son mas caras Los microprocesadores modernos suelen incluir en su propio chip parte de la caché. Se caracteriza por guardar aquellos datos e instrucciones que son usados con frecuencia por la CPU, en un determinado proceso de datos. Datos comparativos entre CPU, caché y memoria principal (los valores dados son órdenes de magnitud)

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23 Controlador (o canal o procesador) de entradas/salidas (o de periféricos) Es un procesador especializado en controlar las operaciones de transferencia de datos entre los periféricos conectados a él, y entre éstos y la CPU. Estas operaciones de control normalmente son función de la CPU, por lo que los controladores de E/S descargan trabajo a la CPU. Una vez finalizada la operación encomendada por la CPU, envía a ésta una señal de interrupción indicando que está listo para realizar otra operación. Cada controlador de entradas/salidas monitoriza la actuación de distintos periféricos. Su conexión con el bus del sistema suele denominarse canal de entrada/salida o sencillamente canal.

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24 Cont… a) Configuraciones con controladores de entrada/salida de bus único Muestra una estructura con un bus único que incluye memoria caché y controladores de E/S. Es una estructura de bus único El inconveniente es que una orden de transferencia de datos entre periféricos de dos canales distintos puede interferir con, por ejemplo, la captación de una instrucción de la memoria principal por la CPU. (Gp:) CPU (Gp:) Caché (Gp:) Memoria Principal (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Per.0n (Gp:) Per.01 (Gp:) Per.00 (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Per.1n (Gp:) Per.11 (Gp:) Per.10 (Gp:) Bus del sistema (Gp:) a)

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25 Cont… b) Configuraciones con controladores de entrada/salida con un bus específico de E/S Para evitar este problema usualmente se utiliza una estructura con dos buses. En el aparece un bus específico de E/S. (Gp:) b) (Gp:) CPU (Gp:) Caché (Gp:) Memoria principal (Gp:) Adaptador bus (Gp:) Per.10 (Gp:) Per.11 (Gp:) Per.1n (Gp:) Per.01 (Gp:) Per.0n (Gp:) Per.00 (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Bus del sistema (Gp:) Canal 0 (Gp:) Canal 1

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26 Cont… Los controladores de E/S evitan que la CPU tenga que adaptarse entre operaciones de E/S individuales a la velocidad y ritmo que marca el periférico con el que se hace la transferencia. La CPU sigue siendo responsable de todas las operaciones individuales de E/S. Las operaciones de E/S que realizan los usuarios, normalmente se hacen entre la M y un periférico, y viceversa

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27 Controladores DMA (Direct Memory Access = acceso directo a memoria) Se han creado para descargar de este trabajo a la CPU. Es un procesador especializado para transferir datos entre memoria y un periférico (y viceversa). Mientras la CPU puede realizar otras tareas. Es externo a la CPU y actúa, combinadamente con la CPU, como controlador del bus. (Gp:) CPU (Gp:) Caché (Gp:) Memoria principal (Gp:) DMA (Gp:) Per.10 (Gp:) Per.11 (Gp:) Per.1n (Gp:) Per.01 (Gp:) Per.0n (Gp:) Per.00 (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Bus del sistema (Gp:) Canal 0 (Gp:) Canal 1

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28 Cont… Cuando se hace una transferencia de un bloque de información controlado por DMA, previamente la CPU inicializa unos registros especializados del DMA en los que se especifica: tamaño del bloque a transferir, dirección inicial del bloque a leer en la unidad de origen, dirección inicial donde se escribirá el bloque en la unidad de destino y sentido de la transferencia Una vez inicializado el DMA, la CPU cede el control del bus al DMA, encargándose éste de controlar toda la transferencia de información. Mientras la CPU puede realizar otras tareas. Una vez finalizado el trasvase del bloque, el DMA envía a través del sub-bus de control una señal de interrupción al procesador, para que éste vuelva a tomar el control del bus del sistema.

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29 Jerarquía De Memoria Parámetros: capacidad, velocidad y precio Problema: Diferencia de velocidad de 1 ó 2 órdenes de magnitud entre procesador y memoria.

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30 Cont…

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31 Soporte Físico (hardware) y Soporte Lógico (software) Soporte Físico, o Hardware Es la máquina en sí El conjunto de circuitos electrónicos, cables, armarios, dispositivos electromecánicos, y otros elementos físicos que forman el computador. La palabra hardware no sólo se utiliza para designar los dispositivos físicos del computador y su interconexión (arquitectura), sino también todo lo relacionado con ellos Soporte Lógico, Software o Logical El conjunto de programas (del sistema operativo, de utilidades, y de los usuarios) ejecutables por el computador. Para que un computador funcione es necesario utilizar programas. Tan imprescindible es el hardware como el software. No son sólo los programas de un computador, sino que también todas las materias relacionadas con la construcción de los programas: organización y estructuración de los datos, construcción de algoritmos, análisis de aplicaciones, metodología utilizada para redactar programas, etc.

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32 Interrupción Interrupción, excepción, fallo, aborto o Trap Es una detención de la ejecución de un programa antes de que concluya, continuándose después con la ejecución del programa interrumpido Normalmente se realiza para ejecutar otro programa o procedimiento prioritario o procedimiento de gestión de la interrupción.

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33 Cont… Causa de las Interrupciones: Fallo de la alimentación. El computador puede disponer de sistemas auxiliares que detecten anomalías en el suministro de energía eléctrica. Caso de que se prevea que inminentemente se va a producir una caída de tensión, se puede generar una interrupción que lance a ejecutar un programa que salve el contenido total de la memoria en disco. Anomalías del hardware. Si detecta un fallo del hardware puede generar una interrupción que lance a ejecutar un programa que produzca el consiguiente mensaje de error y/o reconfigure el hardware. Petición de E/S de un periférico. El método más común de efectuar una operación de E/S es por medio de interrupciones.

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34 Cont… Desbordamiento. Cuando en un cálculo aritmético se produce un desbordamiento, es normal producir una interrupción, para lanzar a ejecución un programa que de un mensaje de error, o se tomen otras medidas tendentes a no falsear los resultados de la ALU. Utilización de una instrucción máquina inexistente. Está anomalía se produciría cuando en el registro de instrucción (IR) se carga un valor que no corresponde a ningún código del lenguaje máquina. El procedimiento que atendería a la interrupción daría un mensaje de error. Gestión de tiempo compartido. El tiempo compartido permite la ejecución concurrente de varios programas ubicados simultáneamente en memoria. El sistema operativo va dando pequeños turnos sucesivos de tiempo a cada uno de los programas, de forma tal que todos van avanzando en su ejecución. Los sistemas disponen de un temporizador (reloj de tiempo real) que genera una señal de interrupción cuando transcurre el periodo de tiempo asignado a cada programa, y se lanza una interrupción para suspender momentáneamente la ejecución del programa.

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35 Cont… Violación de la protección de memoria. Es corriente que en la memoria principal se encuentren ubicados diversos programas. El computador dispone de mecanismos que detectar si, por error, un programa invade la zona de memoria donde se encuentra otro programa. Este evento suele ser prevenido por medio de una interrupción. Peticiones del programador o usuario. Existe la posibilidad de que el propio programador o usuario deseen provocar una interrupción.

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36 Petición de interrupción (Interrupción Request, o IR). (Gp:) Regreso a PE (Gp:) -Restaurar contenidos CPU -Habilitar interrupciones (Gp:) Servicio del requerimiento realizado (Gp:) Determinación del origen de la interrupción (Gp:) -Inhábil interrupciones -Salvar contenidos CPU (Gp:) Petición de Interrupción (IR) (Gp:) Reconocimiento de la interrupción (IA) (Gp:) Programa preferente (Gp:) Fin de la interrupción (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 2 (Gp:) 1 (Gp:) Programa PE que se va a interrumpir (Gp:) Instrucciones Gestión de una interrupción de un procedimiento PE para atender a otro más preferente, volviendo posteriormente a continuar ejecutándose el procedimiento interrumpido

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37 Niveles de Descripción de un Computador Un computador puede ser analizado o estudiado según distintos niveles conceptuales. La distinción entre niveles más sencilla es la que hay entre software y hardware. Nivel de componentes electrónicos también denominado nivel de dispositivos y circuitos electrónicos Nivel de lógica digital o nivel de circuito lógico Nivel de microprogramación (microoperaciones) o nivel RTL (Register Transfer Level, nivel de transferencia entre registros o nivel de micromáquina Nivel de lenguaje máquina y ensamblador o nivel de máquina convencional Nivel de sistema operativo o nivel de máquina operativa Nivel de programa de aplicación o nivel de máquina simbólica

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38 Niveles de Descripción de un Computador (Gp:) Nivel de máquina simbólica (compiladores, editores, intérpretes del LC) (Gp:) Nivel de máquina operativa (sistema operativo) (Gp:) Nivel de máquina convencional (lenguajes máquina y ensamblador)) (Gp:) Nivel de dispositivos y ctos. electrónicos (Gp:) Nivel de micromáquina (microprogramación) (Gp:) Nivel de lógica digital (Gp:) Hardware (Gp:) Tecnología (Gp:) Arquitectura (Gp:) USUARIOS Y PROGRAMAS DE APLICACIONES (Gp:) Software

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39 Clasificación de los Computadores Según la Generalidad de uso o Propósito: De uso general: Puede dedicarse a distintos tipos de aplicaciones, tales como gestión administrativa, cálculo científico, etc. De uso específico: Es el que únicamente puede utilizarse para una aplicación concreta. Ejemplo, el que contiene un robot, la computadora para el control del tráfico, el de un horno de microondas, etc. Según el Paralelismo: Unico flujo de instrucciones, único flujo de datos (Monoprocesadores): En un instante dado, se encuentra ejecutando una única instrucción con unos datos aislados. Unico flujo de instrucciones, múltiples flujos de datos (Matriciales y Vectoriales ): Para mayores velocidades de cómputo, procesan las instrucciones de una en una, pero cada una de ellas opera con múltiples datos. Múltiples flujos de instrucciones, múltiples flujo de datos (Multiprocesadores y Multicomputadores): Sistemas compuestos por distintos computadores completos trabajando en paralelo e interconectados adecuadamente entre ellos.

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