Capítulo 1 Introducción a la Computación

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1 Capítulo 1 Introducción a la Computación 1

2 MEMORIA PRINCIPAL (RAM) DISPOSITIVOS DE ENTRADA (Teclado, Ratón, etc) C P U DISPOSITIVOS DE SALIDA (Monitor, Impresora, etc.) ALMACENAMIENTO (Memoria Secundaria: Disco Duro, Diskette, CD, etc.)

3 Organización Básica de un Sistema Computacional

4 Ciclo de Lectura y Ejecución CPU, Memoria Principal, Lenguaje de Máquina, Registros, Transistores, Números Binarios 4

5 CPU Una computadora consiste de muchos componentes diferentes El CPU es el cerebro, cuya principal función es ejecutar programas Un programa es una lista de instrucciones no ambiguas hechas para que sean seguidas mecánicamente por la computadora 5

6 Lenguaje de Máquina Las computadoras ejecutan instrucciones que son escritas en un lenguaje muy simple llamado lenguaje de máquina Cada tipo de computadora tiene su propio lenguaje de máquina Sólo podrá ejecutar los programas si están escritos en ese lenguaje 6

7 Memoria Cuando el CPU ejecuta un programa, dicho programa se encuentra en la memoria principal La memoria principal consiste de una secuencia de casillas Estas casillas son numeradas y la secuencia de números es llamada dirección de memoria Una dirección provee una manera de especificar una pieza de información entre millones almacenadas en la memoria 7

8 Ejemplo de Organización de la Memoria 0x0 0x2000 código heap Inmutable Almacenamiento dinámico malloc(), free() 0x50000 pila (Stack) Llamadas a funciones, variables locales

9 1: Componentes Lógicos de Área de memoria para guardar un programa (applicación) Memoria Área privada del programa para las variables locales. Heap Área disponible para las estructuras de datos dinámicas de todos. Stack A Stack B Stack C Program A Program B Program C Operating System Driver Driver Driver Driver Driver 9

10 Ciclo de Lectura y Ejecución El CPU ejecuta un programa que es almacenado como una secuencia de instrucciones de lenguaje de máquina en la memoria principal Para ello el CPU debe leer una instrucción de la memoria y ejecutarla Esto lo hace repetidamente, por lo que se le llama ciclo de lectura y ejecución 10

11 Registros El CPU contiene unos pocos registros internos Los registros son pequeñas unidades de memoria capaces de almacenar un número o una instrucción en lenguaje de máquina El CPU utiliza uno de estos registros (PC contador de programa) para almacenar la dirección de la siguiente instrucción que se debe ejecutar Al comienzo de cada ciclo, el CPU revisa el PC para ver que instrucción debe ejecutar. PC es actualizado con la propia ejecución del programa (usualmente es incrementado de uno en uno) 11

12 Transistores Una computadora ejecuta programas en lenguaje de máquina mecánicamente Está construida por millones de pequeños interruptores llamados transistores La operación de una computadora origina que estos interruptores se prenden y apagan entre sí El patrón que siguen está determinado por el cableado entre ellos y el programa que se está ejecutando 12

13 Números binarios Las instrucciones de lenguaje de máquina y los datos se expresan en números binarios Un número binario es aquel que está formado por sólo 2 valores (0 y 1) Los transistores pueden expresar adecuadamente los dos estados (prendido o apagado) Cuando se carga una instrucción de la memoria, todo lo que sucede es que ciertos interruptores se prenden y otros se apagan en un patrón que está codificado en la propia instrucción 13

14 Resumen La memoria principal almacena programas en lenguaje de máquina y datos Estos son codificados como números binarios El CPU lee instrucciones de lenguaje de máquina de la memoria una tras otra y las ejecuta El CPU realiza este ciclo mecánicamente y por lo tanto el programa que ejecuta debe estar perfecto, completamente detallado y sin ambigüedades El CPU lo único que puede hacer es ejecutar las instrucciones tal cual como estén escritas 14

15 Resumen 15

16 Interrupciones Device Drivers, Bus, Interrupciones, Eventos Asíncronos, Multitareas, Sistema Operativo 16

17 Otros Componentes del Computador Además del CPU y de la Memoria, un computador tiene otros componentes: Un disco duro para almacenar programas y datos Un teclado y ratón para entrada Un monitor e impresora para salida Un modem o tarjeta de red para comunicarse con otras computadoras Un scanner para digitalizar imágenes... 17

18 Device Driver De alguna manera el CPU tiene que comunicarse con todos estos dispositivos Para cada dispositivo, existe un device driver Un device driver consiste de software que el CPU ejecuta cuando tiene que interactuar con el dispositivo respectivo 18

19 Bus Una computadora típicamente conecta todos estos dispositivos a uno o más buses Un bus es un conjunto de cables que transportan varios tipos de información entre los dispositivos conectados a esos cables Por el bus viaja Datos Direcciones Señales de control 19

20 Diagrama simple de una Computadora 20

21 Procesamiento de datos de I/O Los dispositivos pueden producir datos que necesitan ser procesados por el CPU Cómo sabe el CPU que los datos están disponibles? Pooling El CPU periódicamente revisa si existen datos que procesar Interrupciones 21

22 Interrupciones Es una señal enviada al CPU por otro dispositivo Proceso Se recibe la señal Se hace a un lado lo que sea que se estuviese haciendo Se atiende la interrupción Se vuelve al punto de lo que se encontraba realizando Ejemplo: presionar una tecla 22

23 Interrupciones Un dispositivo notifica una interrupción simplemente al encender un cable El CPU guarda información acerca de lo que está haciendo El contenido de los registros, entre ellos el PC El CPU salta a una dirección de memoria predeterminada y comienza a ejecutar las instrucciones ahí almacenadas Al final el manejador de interrupciones le dice al CPU que reanude lo que estaba haciendo (restaurando los datos previamente guardados) 23

24 Eventos asíncronos Las interrupciones le permiten al CPU manejar eventos asíncronos En el ciclo regular de leer y ejecutar, las operaciones se ejecutan en un orden predeterminado Las interrupciones hacen posible que el CPU maneje eficientemente eventos que suceden asíncronamente Ejemplo: leer información de disco El CPU solicita un dato y luego realiza otra tarea hasta que se le notifica que el dato está disponible 24

25 Multitareas La ventaja de interrupciones sobre pooling sólo es tal si el CPU tiene otra cosa que hacer Todos los sistemas operativos modernos utilizan multitarea para realizar varias tareas a la vez El CPU reparte su tiempo atendiendo una fracción de segundo a cada tarea Ejemplo: Estar escribiendo una carta, mientras se escucha música y se baja un archivo de Internet 25

26 Hilo de Ejecución Cada tarea individual en la que trabaja el CPU es llamada un hilo A determinado momento, sólo un hilo puede estar ejecutándose en el CPU El CPU continuará ejecutando el mismo hilo hasta que el hilo: cede el control (yield) se bloquea (espera a que ocurra algún evento asíncrono) agote su rebanada de tiempo (sólo preemptive) 26

27 Sistema Operativo El software que realiza todo el manejo de interrupciones, y la comunicación del usuario con el hardware es llamado Sistema Operativo Una computadora no podría funcionar sin un sistema operativo, y las aplicaciones dependen de él Sistemas Operativos comunes: UNIX, Linux, DOS, Windows 98, Windows 2000 Mac OS X, entre otros. 27

28 Lenguajes de Alto Nivel Lenguaje de Máquina consiste de instrucciones muy simples que son ejecutadas por el CPU Sin embargo, casi todos los programas se escriben en lenguajes de alto nivel Ejemplo: Java, Pascal, C, C++, C#, FORTRAN... Los programas escritos en estos lenguajes deben ser traducidos a lenguaje de máquina para poder ser ejecutados Se utilizan compiladores e interpretes para realizar esta traducción 28

29 Compilador Un compilador toma un programa escrito en lenguaje de alto nivel y lo traduce en un programa ejecutable en lenguaje de máquina Una vez realizada la traducción, se puede ejecutar cualquier número de veces Si se desea ejecutar el programa en otro tipo de computadora, debe ser re-traducido, usando un compilador para la computadora deseada 29

30

31 Intérprete A diferencia del compilador, el intérprete traduce el programa instrucción por instrucción Actúa parecido a un CPU, con un ciclo de leer y ejecutar Se lee una instrucción del programa Se decide qué se necesita para llevarla a cabo Se ejecutan las instrucciones de lenguaje de máquina correspondientes 31

32 Programación Qué es un Algoritmo? Un Programa?

33 HOLA MUNDO! #include <stdio.h> int main() { printf("hola, mundo!\n"); }

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