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? conectores Dispositivos del ordenador 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

La memoria Componentes del ordenador 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 salida Unidad de memoria 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 sistema Bus de datos 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 1234 10 = 1 *10 3 + 2 * 10 2 + 3 * 10 1 + 4 * 10 0 De forma similar, un número binario se usa base 2 Por ejemplo: 1011 2 = 1 * 2 3 + 0 * 2 2 + 1 * 2 1 + 1 * 2 0 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 DVD disco óptico 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 (2 32 ). 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 Dependientes del idioma Ratón Mecánicos Ópticos Scanner Píxel por pulgada Puede usarse con un OCR Tablilla digital Interesante para dibujos Webcam scanner ratón teclado Tabla digital 34

Dispositivos de Salida Pantalla TRC Plana Impresora Agujas Láser Tinta Plotter Pantalla Impresora Plotter 35

Otros dispositivos de E/S Qué podemos conectar a un PC? Tarjetas de sonido Tarjetas de red para conectarse a redes Tarjetas de TV.... Conexiones estándar: Puerto serie Puerto paralelo USB Conector VGA SCSI... 36

Placa base para CPU Pentium IV (Asus P4T) Conector de potencia Puentes de configuración Ranuras para memoria Conectores IDE para HD, CD,.. Zócalo para conectar CPU Pentium IV Ranuras para Tarjetas de expansión E/S Conector de E/S básicos 37

Algunos detalles Cable plano para conectar HD, CD,... Zócalo de la CPU 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