Sistemas de Computadoras Índice Concepto de Computadora Estructura de la Computadora Funcionamiento de la Computadora Historia de las Computadoras Montando una Computadora
Computadora Un sistema de cómputo es un conjunto de elementos electrónicos (Hardware) que interactúan entre sí, para procesar y almacenar información de acuerdo a una serie de instrucciones (Software). Una computadora es un sistema digital con tecnología microelectrónica capaz de procesar información.
Concepto de Computadora Sistema Digital Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales.
. Microelectrónica La microelectrónica es la aplicación de la ciencia electrónica a componentes y circuitos de dimensiones muy pequeñas, microscópicas para producir dispositivos y equipos electrónicos de dimensiones reducidas pero altamente funcionales.
Información La información es un conjunto organizado de datos, que constituyen un mensaje sobre un determinado ente o fenómeno.
Programa Es un esquema que muestra la secuencia que lleva a cabo un proceso. Software es el conjunto de programas que puede ejecutar el hardware.
Estructura de la Computadora La estructura básica de una computadora incluye CPU, memoria, dispositivos de entrada/salida y los buses que permiten la comunicación entre éstos.
Microprocesador Es un conjunto de circuitos electrónicos altamente integrado para cálculo y control computacional, es utilizado como Unidad Central de Procesamiento (CPU). CPU Donde se ejecutan las instrucciones de los programas y se controla el funcionamiento de los distintos componentes del ordenador.
Memoria Dispositivo capaz de almacenar información que se retiene durante cierto período de tiempo para que el sistema pueda funcionar correctamente. Tipos de Memoria Disco duro: almacena los archivos y programas del usuario, tiene gran capacidad de almacenamiento. Memoria RAM: almacena programas de manera temporal, útil para leer datos sin tener que leer el disco duro. Memoria caché: está en los microprocesadores por lo que es de muy alta velocidad.
Memoria
Dispositivos Entrada/Salida Permiten interactuar con elementos físicos externos. Pantallas teclados, ratones, discos duros, impresoras.
Buses Es un subsistema que transfiere datos o electricidad entre componentes dentro del ordenador o entre ordenadores. Está formado por cables o pistas de un circuito impreso y otros circuitos como resistencias o capacitores.
Funcionamiento de la Computadora Arquitectura Von Neumann Aunque las tecnologías empleadas en las computadoras digitales han cambiado mucho desde que aparecieron los primeros computadores en los años 40, la mayoría todavía utilizan la arquitectura von Neumann, propuesta a principios de los años 1940 por John von Neumann. Esta arquitectura describe la PC con 4 secciones principales: Dispositivos de proceso (la unidad lógica y aritmética, ALU, y la unidad de control), Dispositivos de almacenamiento (la memoria y los registros), los dispositivos de entrada y salida y los buses de interconexión entre éstos.
Esquema Mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos. La unidad de control trae instrucciones de la memoria y las ejecuta una por una. La figura muestra que tanto la unidad de control como la ALU contienen localidades de almacenamiento llamadas registros, definidos de la siguiente manera:
Registro Temporal de Memoria Buffer (MBR): Contiene una palabra que debe ser almacenada en memoria, o recibe una palabra procedente de la memoria. Registro Temporal de Instrucción (IBR): Almacena temporalmente la instrucción contenida en la parte derecha de una palabra. Registro de Instrucción (IR): Contiene el código de operación de la instrucción que se va a ejecutar. Registro de Dirección de Memoria (MAR): Especifica la dirección de memoria de la palabra que va a ser escrita o leída en MBR. Contador de Programa (PC): Contiene la dirección de la siguiente pareja de instrucciones que se traerán de memoria. Acumulador (AC) Multiplicador Cociente (MQ): Se emplean para almacenar temporalmente operandos y resultados de operaciones de la ALU.
Fase 1. Obtiene la instrucción a ejecutar desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción. Fase 2. Aumenta en el contador de programa la dirección de la instrucción para apuntar a la siguiente. Fase 3. Decodifica la instrucción mediante la unidad de control; Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada. Fase 4. Se ejecuta la instrucción (Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas; el contador puede cambiar también cuando se cumpla una cierta condición aritmética, haciendo que el ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, aritmética y lógica).
Fase 5. Vuelve al paso 1 y obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción. La interacción entre la memoria y el CPU se hace a través de un sistema de buses único (control, direcciones y datos). El tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria. Además, el flujo de datos e instrucciones está limitado a la velocidad del bus.
En resumen Los datos y las instrucciones se almacenan en una sola memoria de lectura - escritura. Los contenidos de esta memoria se direccionan indicando su posición, sin considerar el tipo de dato contenido en la misma. La ejecución se produce siguiendo una secuencia de instrucción tras instrucción (a no ser que dicha instrucción se modifique explícitamente). Un único bus de datos que comunica la memoria con el CPU que puede limitar la longitud de las instrucciones.
Añadidos Hoy en día, la mayoría de las computadoras están basadas en esta arquitectura, aunque pueden incluir otros dispositivos adicionales.
Arquitectura Harvard Utiliza dos memorias: una solamente para las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos). Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes éstos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud. También la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general.
Arranque de la Computadora Cuando se presiona el interruptor de una computadora, ocurren una serie de operaciones: La energía es distribuida por los circuitos internos desde la fuente de alimentación El microprocesador llama a la ROM-BIOS, la BIOS le da las indicaciones de los test a realizar (POST): Comprobación del bus de expansión (placas instaladas) Verificación de la tarjeta de vídeo Comprobación de la memoria caché Comprobación de la memoria RAM Comprobación del teclado y ratón Comprobación de las unidades de disco Carga del sistema operativo Verificación de la configuración (registros, memoria, controladores)
Historia de las Computadoras Calculadora Mecánica La calculadora más famosa de esta época fue desarrollada por el filósofo Blaise Pascal a los 19 años Machina Aritmética (sumas y restas)
G.W. Leibniz En 1671, Gottfried Wilhelm Leibniz construye la primera máquina capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir. La Máquina Universal. La Máquina Analítica Tenía tres componentes básicos: una memoria, unidad de cálculo y unidad de control almacenaba programas.
IBM En 1890 Herman Hollerith, crea una máquina para realizar el censo de los EEUU. Ordenadores Modernos Aparece la tecnología eléctrica que permite la incorporación de relés.
Primera Generación (1940-1960) John Von Neumann crea la primera máquina que además de almacenar los datos y programas para su funcionamiento. Segunda Generación (1960-1965) Se cambia la válvula de vacío por el transistor. Para ser más rápidas, pequeñas y baratas.
Tercera Generación (1965-1975) Aparición de los circuitos integrados realizados a base de silicio. Cuarta Generación (1975-1990) Aparecen los chip. Quinta Generación (1990-) La velocidad se dispara y se generaliza la Computadora Personal.
No se puede mostrar la imagen en este momento. La Caja Montando una Computadora Tarjetas Placa Base Almacenamiento CPU Fin
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Arquitectura Risc Arquitectura Cisc En la arquitectura computacional, RISC (del inglés reduced instruction set computer) es un tipo de microprocesador con las siguientes características fundamentales: Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos. Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos. El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria. Las características que generalmente son encontradas en los diseños RISC son: Codificación uniforme de instrucciones, lo que permite una de codificación más rápida. Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y así simplificar el diseño del compilador. Modos de direccionamiento simple con modos más complejos reemplazados por secuencias de instrucciones aritméticas simples. Los tipos de datos soportados en el hardware no se encuentran en una máquina RISC. Los diseños RISC también prefieren utilizar como característica un modelo de memoria Harvard, donde los conjuntos de instrucciones y los conjuntos de datos están conceptualmente separados. En la arquitectura computacional, CISC (complex instruction set computer) es un modelo de arquitectura de computadora. Los microprocesadores CISC tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos, en contraposición a la arquitectura RISC. Este tipo de arquitectura dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC, llamadas generalmente microinstrucciones. Los CISC pertenecen a la primera corriente de construcción de procesadores, antes del desarrollo de los RISC. Ejemplos de ellos son: Motorola 68000, Zilog Z80 y toda la familia Intel x86 usada en la mayoría de las computadoras personales actuales. Entre las ventajas de CISC destacan las siguientes: Reduce la dificultad de crear compiladores. Permite reducir el costo total del sistema. Reduce los costos de creación de software. Mejora la compactación de código. Facilita la depuración de errores.