TÍTULO: INTRODUCCIÓN A LA INFORMÁTICA Pág. Disponibilidad Capítulo 1. Introducción 1 Conceptos básicos de la computación 1 Definiciones: Informática 1 Figura: el computador como sistema que interactúa con su exterior 2 Codificación de la información 3 Estructura funcional de los computadores 4 Unidad de entrada 4 Unidad de salida 4 Figura: esquema funcional de un computador 5 Memoria 5 Memoria principal o central o interna 5 Memoria masiva auxiliar, secundaria o externa 5 Figura: diagrama simplificado de una memoria principal 6 Unidad aritmético-lógica o ALU 6 Unidad de control 6 Tabla: longitudes de palabras en diversos computadores y microprocesadores 8 Clasificación de los computadores 8 Calculadoras analógicas 9 Calculadoras digitales y computadores u ordenadores 9 Calculadoras híbridas o computadores híbridos 9 Computador de uso general 9 Computador de uso específico 9 Supercomputadores 10 Grandes computadores o macrocomputadores (Mainframes) 10 Tabla: clasificación de los computadores atendiendo a sus prestaciones 11 Computadores medianos o minicomputadores 11 Estaciones de trabajo (Workstations) 12 Computadores profesionales/personales 12 Nanocomputadores o computadores familiares o domésticos 12 Calculadoras programables de bolsillo 13 Programas e instrucciones 13 Instrucciones de transferencias de datos 13 Instrucciones de tratamiento 13 Instrucciones de flujo de control o de bifurcación y saltos 13 Soporte físico (hardware) y soporte lógico (software) 15 Funcionamiento de los computadores 15 Figura: Contenido de la memoria después de ejecutado el programa 17 Figura: Diagrama de las operaciones a realizar en lenguaje máquina 17 Aplicaciones de la informática 19 La inteligencia artificial 20 Utilización de los computadores 24 Metodología 24 Planteamiento o definición del problema 24 Análisis 24 Programación 25 Prueba y depuración de la aplicación 25 Explotación de la aplicación 25 Organización de los datos 27 Figura: ejemplo de archivo para control de multas de tráfico 28 Conclusión 29 Ejercicios 30 Capítulo 2. Estructura de datos y algoritmos 33 Tipos de datos 33 Datos de tipo entero 34 Datos de tipo real 35 Datos de tipo lógico 36 Tabla: funciones lógicas 36 Datos de tipo carácter 37 Datos de tipo enumerado 37 Datos de tipo subrango 38 Estructuras de datos 39 Arrays (matrices o formaciones) 39 Cadenas de caracteres 41 Figura: organigrama de la función index 42 Registros 43 Listas 43 Árboles 46 Figura: esquema de un árbol 47 Algoritmos 47 Concepto de algoritmo 47 Figura: Representación en memoria del árbol 48 Representación de algoritmos 50
Pseudocódigo 50 Organigramas 50 Figura: símbolos usados habitualmente para confeccionar organigramas 51 Diagramas de Nassi-Schneiderman 52 Figura: símbolos usados en diagramas Nassi-Schneiderman 52 Acciones y estructuras de control 53 Asignaciones 53 Entradas/salidas 53 Decisiones 55 Ciclos 55 Figura: estructuras de distintos tipos de ciclos 56 Procedimientos 57 Recursividad 59 Proceso de creación de un programa 60 Diseño de un algoritmo 62 Diseño descendente 63 Figura: árbol de diseño descendiente 64 Comprobación y optimización de algoritmos 66 Conclusión 68 Ejercicios 68 Bibliografía 69 Capítulo 3. Representación de la información en los computadores 71 Introducción 71 Sistemas de numeración usuales en informática 73 Representación posicional de los números 73 Sistema de numeración en base dos 75 Definición del sistema binario 75 Transformaciones entre bases binaria y decimal 75 Operaciones aritméticas con variables binarias 77 Representación en complementos 79 Códigos intermedios 82 Base octal 82 Base hexadecimal 83 Códigos de entrada/salida 84 Tabla: cifras hexadecimales y sus valores decimal y binario 85 Tabla: algunos códigos de entrada/salida utilizados en informática 87 Detección de errores en la información codificada 91 Representación interna de la información 94 Representación interna de los distintos tipos de datos 95 Representación interna de datos de tipo entero 96 Datos de tipo entero representados en binario 96 Figura: caracteres ensamblados en palabras de 16 y 32 bits 96 Enteros sin signo 97 Enteros con signo 97 Figura: esquemas de distintas representaciones de datos de tipo entero 97 Datos enteros representados con dígitos decimales codificados en binario (BCD) 101 Representación interna de datos de tipo real 102 Normalización IEEE 754 para la reparación de datos de tipo real 103 Otros sistemas para la representación de datos de tipo real 109 Conclusión 114 Ejercicios 114 Bibliografía 116 Capítulo 4. Diseño lógico 117 Sistemas digitales 117 Álgebra de Boole 120 Postulados del álgebra de Boole 120 Algunos teoremas fundamentales 121 Funciones de conmutación 123 Algebra de conmutación 126 Minterms y maxterms 127 Teorema de Shannon 128 Adyacencias 133 Mapas de karnaugh 134 Sistemas combinacionales y sistemas secuenciales 137 Bloques funcionales combinacionales 139 Puertas combinacionales combinadas 139 Sumador binario 141 Comparadores 143 Codificadores 143 Decodificadores y demultiplexores 144 Multiplexores 147 Memorias permanentes (ROM) 150 PLAs y PALs 151 Figura: estructuras lógicas programables ROM, PAL, PLA 153
ALU (unidad aritmético-lógica) 153 Realización de funciones combinacionales 155 Elementos de memoria 156 Registros de desplazamiento 160 Contadores 163 Diseño de sistemas secuenciales 165 Memorias RAM 168 Procedimiento general de diseño 169 Figura: diagrama correspondiente al procedimiento de diseño 170 Conclusión 171 Ejercicios 172 Bibliografía 174 Capítulo 5. Esquema del funcionamiento de un computador 175 Elementos internos de un procesador 175 Temporización en la ejecución de una instrucción 178 Figura: diagrama de transición de estados de una unidad de control 179 Gestión de las instrucciones de control por el procesador 181 Instrucciones de flujo de control que no hacen referencia a procedimientos 181 instrucciones de flujo de control que hacen referencia a procedimientos 182 Concepto de interrupción 186 Estructuras básicas de computadores 189 Niveles de descripción de un computador 193 Conclusión 195 Ejercicios 195 Bibliografía 195 Capítulo 6. Lenguajes máquina y ensamblador 197 Modos de direccionamiento 197 Direccionamiento implícito 198 Direccionamiento inmediato 198 Direccionamiento directo o absoluto 198 Direccionamiento indirecto 198 Tabla: Ejemplos de tipos de direccionamiento 198 Direccionamiento indexado 199 Direccionamientos relativos 200 Instrucciones máquina 203 Descripción de un ordenador didáctico elemental a nivel de lenguaje máquina 204 Panel frontal 206 Figura: ciclo instrucción de la unidad de control de ODE 206 Repertorio del lenguaje máquina 207 CAR (cargar el acumulador de un dato de memoria) 210 MEM (memorizar el contenido del acumulador) 211 ENT (entrada) 211 SAL (salida) 212 STZ (saltar el indicador de cero, Z, está a 1) 213 STW (saltar si se ha producido desbordamiento) 214 STI (salto incondicional) 214 SUB (llamada a subrutina) 215 RET (retorno de subrutina) 215 DED (desplazamiento a la derecha de los bits del acumulador) 216 DEI (desplazamiento a la izquierda de los bits del acumulador) 217 SUM (sumar al acumulador un dato de la memoria) 218 RES (restar) 219 NOY (realización de la operación lógica NAND) 220 PAR (para) 221 Parámetros de un programa 221 Programa cargador 222 Figura: organigrama orientado a ODE del programa cargador) 224 Ejemplo de programa 225 Programa de ordenación de datos 225 Figura: organigrama orientado de ODE para el programa de ordenación por burbujas) 226 Descripción de un ordenador didáctico elemental a nivel de lenguaje ensamblador 228 Instrucciones de lenguaje ensamblador para ODE 229 Seudoinstrucciones o directivas 230 Ejemplo de programa en ensamblador 231 Lenguajes ensambladores. Normalización IEEE 694 232 Direccionamientos y operandos 233 Formatos de las instrucciones 233 Tabla: resumen de nemónicos definidos en el estándar IEEE 694 234 Comparación entre lenguajes máquina y ensamblador 236 Conclusión 238 Ejercicios 239 Bibliografía 241 Capítulo 7. Unidades funcionales de un computador 243 Unidad de procesamiento (Unida aritmetico lógica) 243
Algoritmos básicos de multiplicación y división 243 Multiplicador secuencial para enteros sin signo 244 División secuencial para enteros sin signo (división con restauración) 245 Operaciones básicas con datos enteros 246 Operaciones básicas con datos en punto flotante 251 Diseño de la estructura de ODE a nivel de microoperaciones 254 Figura: diagrama de la estructura de ODE 255 Contador del programa (CP) 256 Dirección de memoria (DM) 256 Memoria 256 Registro de memoria (RM) 257 Entrada (E) 257 Salida (O) 257 ALU 257 Acumulador (A) 258 Registro de instrucción (ir) 258 Biestables de control (G, PI, V) 258 Indicadores de estado (S, Z, W) 259 Lógica de control (LC) 259 Bus del sistema 260 Diseño a nivel de lógica digital de la unidad de procesamiento de ODE 261 Contador del programa (CP) 261 Pila 262 ALU y acumulador (A) 263 Puerto de entrada 265 Registros de dirección de memoria (DM), memoria (RM), salida (O) y de instrucción (ir) 265 Unidad de control 266 Unidad de control cableada de ODE 266 Figura: Organigrama de las microoperaciones que debe generar la unidad de control 268 Microoperaciones a ejecutar por la unidad de control 270 Temporizador 272 Biestables de control (G, PI, V) 275 Indicadores de estado (S, Z, W) 275 Unidad de control microprogramada 277 memoria 284 Configuración de la memoria principal. Diseño de la memoria de ODE 286 Jerarquía de memoria 288 Tabla: características de distintos dispositivos de memoria 289 Figura: jerarquía de la memoria 290 Organización de entradas/salidas 291 Controladores de E/S 291 Figura: esquema de un computador mostrando la posibilidad de utilización de diversos buses y controladores 292 Figura: esquema de un posible puerto; contiene una señal de carga (S), y el estado de alta o baja impedancia se controla con la señal T 293 Direccionamiento de puertos de entrada y de salida 295 Disponer de instrucciones de E/S específicas 295 No disponer de instrucciones específicas de E/S 296 Técnicas de transferencias de entrada/salida 296 Control por medio de E/S programada 297 Control por medio de interrupciones 300 Gestión de prioridades centralizada por la propia CPU 300 Gestión de prioridades centralizada en circuitos externos 300 Gestión de prioridades por sondeo o consulta 301 Gestión de prioridades por encadenamiento 301 Control por medio de controlador DMA 301 Conclusión 305 Ejercicios 305 Bibliografía 306 Capítulo 8. Periféricos de computadores 309 Definición y objetivos de los periféricos 309 Unidades de entrada 310 Unidades de salida 311 Unidades de memoria masiva auxiliar 311 Unidades mixtas 311 Conexión de periféricos a un computador 311 S-100 bus (IEEE 696) 312 CAMAC (o IEEE 583) 312 GPIB (o IEEE 488) 313 Multibus o (IEEE 796) 313 ISA Bus 313 ISA AT Bus 313 MCA 313 EISA 313 SCSII 313 Futurebus +(IEEE 896.1 e IEEE 896.2) 313
Buses locales 314 Principales dispositivos de entrada/salida 314 Monitores de visualización 314 Tabla: tabla comparativa de características de varios buses 315 Tamaño de la pantalla 317 Relación de aspecto 317 Número de celdas o caracteres 317 Brillo 317 Relación de contraste 317 Ángulo de visión 317 Resolución 317 Densidad de puntos de imagen 317 Densidad y tamaño del punto de pantalla 318 Controladores de vídeo 319 Figura: esquema simplificado de un controlador gráfico de vídeo color 321 Pantallas de vídeo 323 Pantallas de tubos de rayos catódicos (CRT) 324 Pantallas planas 325 Teclado 327 Teclado principal 327 Teclado de gestión de imagen 327 Teclado numérico 328 Teclas de funciones 328 Teclas de funciones locales 328 Impresoras 329 Fundamento del sistema de impresión 329 Impresoras de caracteres 330 Impresoras de líneas 330 Impresoras de páginas 330 Impresoras matriciales o de agujas 330 Impresoras térmicas 331 Impresoras de banda (o fleje) de acero 332 Impresoras de inyección de tinta 332 Impresoras láser 333 Elementos mecánicos 333 Elementos ópticos 334 Elementos electrónicos 334 Dispositivos de captura directa de datos 335 Detector de caracteres magnetizables 336 Detector de marcas 336 Detector de barras impresas 337 Escáner de imágenes 339 Detectores de caracteres impresos y manuscritos 340 Unidades para entrada/salida de señales analógicas. Interfaces industriales 341 Sistemas de adquisición de datos analógicos 342 Sistemas de salida analógica 344 Unidad de reconocimiento de la voz 344 Unidad sintetizadora de la voz 345 Visualizadores (displays) 345 Lápiz óptico 346 Pantalla sensible al tacto 347 Palanca manual de control (joystick) 347 Registrador gráfico (plotter) 348 Digitalizador 349 Ratón (mouse) 351 Dispositivos de memoria masiva auxiliar 351 Introducción: memoria masiva auxiliar 352 Escritura y lectura de información de forma magnética. Códigos de grabación 353 Discos magnéticos 356 Principios de funcionamiento. Grabación en una superficie 356 Clasificación y tipos de discos 358 Discos de cabezas fijas 359 Paquetes de discos (disk pack) 359 Discos-cartuchos (disk cartridge) 360 Discos Winchester 360 Disquetes 363 Cintas magnéticas 363 Cintas clásicas o de carrete 364 Casetes 364 Cintas de carrete o tradicionales 365 Unidades de cartucho 367 Unidades de casete 368 Discos ópticos 369 CD- ROM 370
WORM 374 WMRA 374 Conclusión 375 Ejercicios 376 Bibliografía 378 Capítulo 9. Sistemas operativos 381 Software de un computador 381 Software o soporte lógico de un computador 381 Software o soporte lógico o logical 381 Software de control o sistema de explotación 382 Software de tratamiento 382 El software de programación o de servicio 382 El software de aplicación 384 Procesador de textos 384 Hoja electrónica u hoja de cálculo 385 Software de diagnóstico y mantenimiento 386 Tabla: agrupación de los módulos o programas que constituye el software de un computador 387 Definición de sistema operativo 388 Evolución de los sistemas operativos 388 El nivel de máquina operativa 392 Gestión de la CPU. Gestión de procesos 393 Multiprogramación 394 Secuencias múltiples 398 Intercambiabilidad memoria principal/disco 400 Estados de un proceso 401 Figura: ejemplo de posibles situaciones o estados de un proceso en un computador 401 Gestión de la memoria 402 Particiones estáticas 405 Particiones dinámicas 405 Paginación 406 Segmentación 409 Memoria virtual 411 Gestión de entradas/salidas 414 Nivel de procesos de E/S de los usuarios 415 Gestores de periféricos 417 Manipuladores de interrupciones 419 Gestión de archivos. El sistema de archivos 419 Gestión de archivos 419 Gestión de directorios 421 Figura: organización usual, en forma de árbol, de archivos y directorios 422 Conclusión 423 Ejercicios 424 Bibliografía 426 Capítulo 10. Lenguajes de programación. Traductores 427 Lenguajes de programación 427 El proceso de traducción 428 Análisis lexicográfico 429 Análisis sintáctico 431 Análisis semántico 433 Generación y optimización de código 434 Compiladores e interpretes 434 Traductores cruzados. Emuladores 437 Clasificación de los lenguajes 437 Aplicaciones científicas 437 Aplicaciones en procesamiento de datos 438 Aplicaciones de tratamiento de textos 438 Aplicaciones en inteligencia artificial 438 Aplicaciones de programación de sistemas 438 Conclusión 439 Ejercicios 439 Bibliografía 439 Capítulo 11. Archivos y bases de datos 441 Concepto de archivo 441 Tipos de archivos 444 Archivo permanente 444 Archivo temporal 444 Archivos maestros 444 Archivos constantes 445 Archivos históricos 445 Archivos intermedios 445 Archivos de maniobras 445 Archivos de resultados 445 Organización de archivos 446 Secuencial 446
Indexada 446 Encadenada 446 Directa 447 Organización secuencial 447 Figura: Esquema de un archivo secuencial encadenado 450 Organización secuencial encadenada 450 Recuperación o consulta 450 Inserción 450 Borrado 451 Modificación 451 Organización secuencial indexada 452 Consulta 452 Inserción 453 Eliminación y modificación 453 Organización directa o aleatoria 455 Direccionamiento directo 457 Direccionamiento asociado 457 Direccionamiento calculado (hashing) 457 Operaciones básicas sobre un archivo con organización directa 459 Parámetros de utilización de un archivo 459 Volumen 459 Actividad 460 Volatilidad 460 Métodos de ordenación y búsqueda 460 Métodos de ordenación 460 Métodos de búsqueda 461 Búsqueda dicotómica 461 Búsqueda por bloques 462 Bases de datos 462 Dificultad de mantenimiento 463 Redundancia 464 Rigidez de búsqueda 464 Dependencia con los programas 464 Confidencialidad y seguridad 464 Concepto de base de datos 465 Estructura general de una base de datos 465 Tipos de bases de datos 470 Bases de datos jerárquicas 471 Bases de datos en red 471 Bases de datos relacionales 472 Sistema de gestión de la base de datos (DBMS) 474 Lenguaje de manipulación de datos (DML) 474 Lenguaje de descripción de datos (DDL) 474 Lenguaje de descripción de los datos 475 Lenguaje de manipulación de los datos 477 Sistemas de gestión de bases de datos relacionales 479 Conclusión 481 Ejercicios 482 Bibliografía 482 Capítulo 12. Ingeniería del software 483 El desarrollo de sistemas software 483 Ciclo de vida del software 484 Ciclo de vida clásico 485 Ciclo de vida de prototipos 486 Planificación y gestión de proyectos 486 Análisis de requisitos del software 488 Metodologías de análisis de requisitos 488 Diseño 494 Fundamentos del diseño 495 Estructura del software 495 Relación entre módulos 496 Acoplamiento 496 Cohesión 497 Cohesión funcional 497 Cohesión media 497 Cohesión lógica 497 Sin cohesión 497 Metodologías de diseño 497 Diseño orientado al flujo de datos 498 Conclusión 503 Ejercicios 503 Bibliografía 503 Capítulo 13. Transmisión de datos y redes de computadores 505 Sistemas de comunicación 505
Modulación 511 Transmisión analógica de una señal analógica 512 Transmisión analógica de una señal digital 513 Transmisión digital de una señal digital 515 Transmisión digital de una señal analógica 516 Multiplexación en frecuencia y en el tiempo 518 Topología de redes 520 Figura: topologías usuales de redes de transporte 521 Redes de computadores 522 Técnicas de comunicación digital de datos 524 Conexiones serie 524 Conexiones asíncronas 524 Conexiones síncronas 526 Control de errores 526 Redes de área amplia 529 Conmutación de circuitos 529 Conmutación de paquetes 530 Redes de área local 531 Red ethernet (IEEE 802. 3 o ISO 8802.3) 532 Redes locales en anillo 534 Modelo OSI 535 Nivel de aplicación 536 Nivel de presentación 538 Gestión de terminales 538 Transferencias de archivos 538 Comprensión de datos 539 Transformaciones criptográficas 539 Nivel de sesión 539 Nivel de transporte 540 Nivel red 540 Capa de enlace de datos 540 Capa física 540 Protocolos TCP/IP. Internet 541 Nivel de procesos y aplicaciones 541 Nivel de control de transmisiones 541 Protocolos inter-redes o Internet 542 Nivel de acceso a la red 543 Servicios telemáticos 543 Conclusión 543 Ejercicios 544 Bibliografía 545 Capítulo 14. Evolución histórica y desarrollo de la informática 547 Antecedentes de la informática 547 Desarrollo de las formas de representación de los números y de los métodos de cálculo 548 Sistematización del razonamiento 550 La era mecánica 550 La etapa electromecánica 555 Primera generación de computadores (1946-1957) 557 Tabla: resumen comparativo de las cuatro generaciones de computadores 557 Tecnología 558 Computadores 559 Software 560 Segunda generación de computadores (1955-1964) 561 Tecnología 561 Computadores 562 Software 562 Tercera generación de computadores (1965-1970) 565 Tecnología 565 Computadores 566 Software 567 Cuarta generación de computadores(1971-...) 567 Tecnología 568 Computadores 568 Software 570 Las generaciones en el desarrollo de los lenguajes de programación 571 Conclusión 571 Ejercicios 572 Bibliografía 572 Ápendice: principales códigos de entrada/salida 573 Índice análitico 579