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? Dispositivos del ordenador conectores 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 Componentes del ordenador • La memoria – 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 memoria Unidad de salida 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 datos Bus de sistema 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 • 123410 = 1 *103 + 2 * 102 + 3 * 101 + 4 * 100 De forma similar, un número binario se usa base 2 Por ejemplo: • 10112 = 1 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20 • 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 disco óptico DVD 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 (232). – 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 teclado ¾Dependientes del idioma •Ratón ¾Mecánicos ¾Ópticos •Scanner scanner ratón ¾Píxel por pulgada ¾Puede usarse con un OCR •Tablilla digital ¾Interesante para dibujos •Webcam Tabla digital 34 Dispositivos de Salida •Pantalla ¾TRC ¾Plana •Impresora ¾Agujas ¾Láser ¾Tinta •Plotter Pantalla Impresora Plotter 35 Otros dispositivos de E/S •¿Qué podemos conectar a un PC? ¾Tarjetas de sonido ¾Tarjetas de red para conectarse a redes ¾Tarjetas de TV. ¾... •Conexiones estándar: ¾Puerto serie ¾Puerto paralelo ¾USB ¾Conector VGA ¾SCSI ¾... 36 Placa base para CPU Pentium IV (Asus P4T) Conector de potencia Ranuras para memoria Zócalo para conectar CPU Pentium IV Conector de E/S básicos Puentes de configuración Conectores IDE para HD, CD,.. Ranuras para Tarjetas de expansión E/S 37 Algunos detalles Zócalo de la CPU Cable plano para conectar HD, CD, ... 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