U.T.N. F.R.T.L.– ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS - Ing. Horacio Martín 1 UNIDAD 1: ESTRUCTURA FUNCIONAL Computadora: Es un dispositivo electrónico utilizado para procesar información y obtener resultados. Los datos se pueden introducir en la computadora como entrada (input) y a continuación se procesan para producir una salida (output). Programa: Es el conjunto de instrucciones escritas de algún lenguaje de programación y que ejecutadas secuencialmente resuelven un problema especifico. La palabra inglesa hardware designa a los componentes físicos de la computadora en tanto que la palabra software se refiere a los programas y datos que maneja. Proceso de información en la computadora Datos de entrada Proceso Datos de salida Organización física de una computadora CPU Dispositivos de Entrada Unida de Control Unidad Arit.- Log. Dispositivos de Salida Memoria interna Memoria externa Dispositivos de Entrada: Como su nombre lo indica, sirven para introducir datos en la computadora para su proceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en la memoria central o interna. Ejemplos: teclado , scanners (digitalizadores de rastreo), mouse (ratón), trackball, joystick (palancas de juego), lápiz óptico, micrófono, etc. Dispositivos de Salida: Regresan los datos procesados que sirven de información al usuario. Ejemplo: monitor, impresora, parlante, etc. La Unidad Central de Procesamiento (C.P.U) se divide en dos: Unidad de control Unidad Aritmético - Lógica Unidad de Control: Coordina las actividades de la computadora y determina que operaciones se deben realizar y en que orden; así mismo controla todo el proceso de la computadora. Unidad Aritmético - Lógica: Realiza operaciones aritméticas y lógicas, tales como suma, resta, multiplicación, división y comparaciones. La Memoria de la computadora se divide en dos: Memoria Central o Interna Memoria Auxiliar o Externa Memoria Central (interna): La CPU utiliza la memoria de la computadora para guardar información mientras trabaja con ella; mientras esta información permanezca en memoria, la computadora puede tener acceso a ella en forma directa. La memoria interna consta de dos áreas de memoria: La memoria RAM (Randon Access Memory): Recibe el nombre de memoria principal o memoria del usuario, en ella se almacena información solo mientras la computadora U.T.N. F.R.T.L.– ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS - Ing. Horacio Martín 2 esta encendida. Cuando se apaga o arranca nuevamente la computadora, la información se pierde, por lo que se dice que la memoria RAM es una memoria volátil. La memoria ROM (Read Only Memory): Es una memoria estática que no puede cambiar, la computadora puede leer los datos almacenados en la memoria ROM, pero no se pueden introducir datos en ella, o cambiar los datos que ahí se encuentran; por lo que se dice que esta memoria es de solo lectura. Los datos de la memoria ROM están grabados en forma permanente y son introducidos por el fabricante de la computadora. Memoria Externa: Es donde se almacenan todos los programas o datos que el usuario desee. Los dispositivos de almacenamiento o memorias auxiliares (externas o secundarias) más comúnmente utilizados son: discos magnéticos, DVD, etc. CONCEPTOS BASICOS DE ELECTRICIDAD Vivimos permanentemente en contacto e interacción con dispositivos y aparatos electrónicos de diversa complejidad (la PC es uno de ellos) que funcionan a base de ELECTRICIDAD los cuales forman parte indispensable de nuestras vidas de modo que ni por un instante concebimos un mundo sin ellos. Pero además la electricidad es el soporte físico de la INFORMACION que maneja la PC. Por eso es necesario poseer un conocimiento básico de los parámetros fundamentales de Electricidad y Electrónica si se pretende conocer el funcionamiento de la PC. CORRIENTE ELECTRICA: Todos los elementos de la naturaleza están formado por ATOMOS, los que se encuentran constituidos básicamente por dos ( 2 ) componentes: Núcleo: Es la parte central formada por PROTONES (de carga positiva) y NEUTRONES (de carga neutra). Electrones: Pequeñas partículas (de carga negativa) que en cantidad variable giran permanentemente alrededor del núcleo. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen, y las del signo contrario se atraen. Por esta razón los electrones están atraídos al núcleo, compensándose esta atracción por la fuerza centrífuga que se origina en su trayectoria circular. Generalmente en un átomo es igual la cantidad de electrones (girando en la periferia) y de protones (dentro del núcleo), encontrándose de esta manera en equilibrio eléctrico. La fuerza de atracción entre los electrones y el núcleo disminuye al aumentar la distancia, por lo que los electrones que tienen sus órbitas más alejadas del núcleo están sometidos a fuerzas de atracción más débiles. Por ello, estos electrones pueden fácilmente vincularse al núcleo de un átomo vecino y así moverse por el material, constituyendo los denominados Electrones Libres. Si por alguna razón un átomo perdiera uno o más electrones, quedaría desequilibrado a nivel eléctrico e intentaría recuperar los electrones perdidos tomándolos de otro átomo al que le sobraran. Si al contrario le entregáramos electrones de más, intentará deshacerse de ellos entregándolos a otro átomo al que le faltaran. La Corriente Eléctrica es básicamente un flujo o desplazamiento de electrones a través de un material denominado Conductor (metales), desde un punto eléctrico donde hay átomos con electrones de más, hacia otro punto eléctrico donde hay electrones de menos. La corriente eléctrica puede asemejarse a un fluido, por lo que será útil para su estudio y comprensión la comparación con el comportamiento de otro fluido muy cercano a nuestras experiencias cotidianas: el agua. TENSION: Se denomina TENSION eléctrica a la Diferencia de Potencial entre dos materiales, denominados POLOS, que permite el desplazamiento de los electrones desde un punto donde estos se encuentran en exceso (polo negativo) hacia el otro donde se encuentran en defecto (polo positivo). Recurramos a una sencilla comparación con un sistema hidráulico. Pensemos que para que haya desplazamiento de "agua" (electrones) a través de una " manguera" (conductor), será necesaria una "Diferencia de Presión" (Tensión) entre los dos puntos (polos) conectados por ella. Es esta Diferencia de Presión la que hace circular al agua así como la Tensión Eléctrica permite la circulación de los electrones. La tensión se mide en VOLTS, unidad generalmente abreviada [V]. U.T.N. F.R.T.L.– ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS - Ing. Horacio Martín 3 INTENSIDAD: La Intensidad de Corriente Eléctrica es la Cantidad de electrones (cargas) que se desplazan a través de un conductor en un segundo. En nuestra comparación con el sistema hidráulico correspondería a la cantidad de Litros por segundo (caudal) que fluyen a través de la manguera. La Intensidad de Corriente se mide en AMPERES, y se simboliza [A]. RESISTENCIA: Es la Facilidad o Dificultad que ofrecen los distintos materiales al desplazamiento de los electrones a través de sus átomos. En nuestra comparación representa el diámetro de la manguera sumado al rozamiento del agua con la superficie interna de esta. Existen materiales conductores (en su mayoría metales), que PERMITEN el pasaje de corriente en mayor o menor grado; como así también materiales AISLADORES que NO PERMITEN el pasaje de corriente. La Resistencia se mide en OHMS, y se simboliza []. La resistencia de un conductor varía con su temperatura y es proporcional a la longitud e inversamente proporcional al área de la sección transversal del conductor. La resistencia de un conductor se calcula: R = . L / S donde: es la resistividad del material, L es la longitud del conductor, S es el área de la sección transversal del conductor. CORRIENTE CONTINUA: Se denomina Corriente Continua al desplazamiento permanente de electrones sobre un conductor en UN solo SENTIDO. Es la corriente típica ofrecida por las Baterías. Estas últimas siempre tienen un polo o Borne positivo (+) y otro Negativo (-). Es indispensable una Tensión Continua para que exista una Corriente Continua, y en ese caso la dificultad ofrecida por el conductor al pasaje de esa corriente se llama RESISTENCIA. La mayoría de los aparatos electrónicos se alimentan con corriente continua; es decir que por ellos la corriente de desplaza en un solo sentido. Si a un dispositivo que trabaja con corriente continua se lo conecta al revés (sin respetar su polaridad) NO FUNCIONA y a veces hasta es posible que se dañe. Siempre que trabajemos con corriente continua deberemos respetar la Polaridad (o sentido de conexión) de los diversos dispositivos. LEY DE OHM: Establece la relación entre las magnitudes de la corriente continua: Tensión = Resistencia x Intensidad o V=R.I POTENCIA: Estamos acostumbrados a comparar por ejemplo dos equipos de audio y decir: este es más POTENTE que aquél. Entre dos lámparas reconoceremos también cuál es la que tiene más potencia lumínica. La Potencia o Trabajo eléctrico que desarrolla un dispositivo es la combinación o relación entre la "Tensión" con la que trabaja y la "Corriente" que deja circular (o que consume). Es por lo tanto: Potencia (watt) = Tensión (volt) x Corriente (ampere) o P = V x I Su unidad de medida es el WATT (W). Sus múltiplos y submúltiplos más usados son: el miliwatt (mw) y el Kilowatt (Kw). Todo aparato eléctrico al funcionar realiza un trabajo eléctrico o, lo que es lo mismo, consume potencia eléctrica. Por ejemplo, la fuente de alimentación de la mayoría de nuestras PC consumen alrededor de 200 W. A su vez un disco rígido moderno no supera los 5 W de consumo. CORRIENTE ALTERNA: Contrariamente al caso anterior, se denomina Corriente Alterna a la que circula por un conductor cambiando permanentemente de sentido a intervalos regulares de tiempo. La representación de la tensión de corriente alterna en función del tiempo resulta una función senoidal. Es necesario que dispongamos de una Tensión Alterna, para que circule una Corriente U.T.N. F.R.T.L.– ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS - Ing. Horacio Martín 4 Alterna, y en ese caso la dificultad ofrecida por el conductor al pasaje de la corriente se denomina IMPEDANCIA. La Tensión de la línea de Red Domiciliaria en nuestro país es Alterna y su valor es 220 volts. Este valor corresponde a la Tensión Eficaz, que se define como el valor equivalente de tensión continua que produzca la misma potencia que la tensión alterna considerada. La tensión máxima se calcula como Vmax = 2 . Vef Cuando trabajemos con dispositivos de corriente alterna no tendremos que preocuparnos de la polaridad, ya que esta cambia permanentemente de sentido. Sin embargo, si medimos la tensión de cada uno de los contactos del tomacorriente respecto de tierra, hallaremos que no son iguales. Uno de ellos, llamado Vivo, tendrá los 220 volts, en tanto que el otro, llamado Neutro, tendrá 0 volt. Esto pude detectarse utilizando un destornillado buscapolos. El tercer contacto es conectado a tierra, por lo tanto tampoco tendrá tensión. FRECUENCIA: Este parámetro hace su aparición con la Corriente Alterna. Recordemos que esta cambia de sentido a intervalos regulares de tiempo. La Frecuencia es, entonces, la cantidad de veces que una corriente cambia de sentido en un segundo. Su unidad de medida es el HERTZ (Hz) o lo que es lo mismo "veces por segundo". Son muy utilizados sus múltiplos: el Kilohertz ( KHz ) y el Megahertz ( MHz ). Por ejemplo la Tensión de línea (220 v) trabaja a 50 Hz, es decir que cambia de sentido 50 veces en un segundo. EFECTOS DE LA CORRIENTE ELECTRICA El paso de corriente por un conductor produce: - calentamiento del conductor: efecto Joule. - Un campo magnético alrededor del conductor. - Un campo eléctrico alrededor del conductor. - Efectos electroquímicos en los líquidos. - Ionización de moléculas en los gases, etc. CONCEPTO DE MAGNITUD ANALOGICA Y DIGITAL En el mundo real, en el que vivimos, las variables que permiten describir cualquier fenómeno CAMBIAN GRADUALMENTE, presentando una gama continua de valores de un máximo a un mínimo o viceversa. Tomemos por ejemplo los cambios de temperatura sufrida por el agua hasta llegar al punto de ebullición, y veremos que esta irá aumentando gradualmente de grado en grado. Pero si hacemos un análisis del aumento que hizo de un grado cualquiera al otro, encontraremos que también tuvo una cantidad infinita de aumentos de temperatura. A este cambio se lo denomina ANALOGICO, y sus características son el poseer INFINITOS valores entre dos valores dados. Todos los cambios en la vida real son analógicos. Una magnitud DIGITAL, en cambio, posee valores FINITOS. Esos valores pueden ser dos, tres o más, pero nunca infinitos. El término digital se aplica generalmente a los sistemas electrónicos e informáticos ya que es más sencillo para ellos trabajar con valores finitos que lo contrario. Citemos como ejemplo de variaciones digitales los estados de un interruptor, o una lámpara, que solo puede estar prendido o apagado. Si hacemos un análisis de los estados intermedios entre un valor y otro (on y off) veremos que hay un salto y que no existe variación gradual o estado intermedio alguno. SISTEMAS ANALÓGICOS Y DIGITALES Los sistemas electrónicos procesan la información que les llega a sus entradas. En general, la información que llega a estas entradas proviene de magnitudes físicas del mundo real en el que vivimos. Estas magnitudes son temperatura, presión, longitud, velocidad, tensión, intensidad, etc. que tienen un carácter continuo o analógico. La utilización de alguna de estas magnitudes dependerá de la aplicación específica para la que esté diseñando el sistema electrónico. Estas magnitudes físicas de entrada deben estar en forma de señal eléctrica. Por este motivo se suelen utilizar sensores o transductores que captan la magnitud física y la transforman en señal eléctrica para que pueda ser procesada en el sistema electrónico. Por tanto, podemos definir una señal eléctrica como una representación de la variación de una magnitud eléctrica (tensión o intensidad) frente al tiempo. La magnitud más utilizada es U.T.N. F.R.T.L.– ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS - Ing. Horacio Martín 5 la tensión. Este concepto es interesante en cuanto es susceptible de representar una información. Un ejemplo, si medimos con un sensor la magnitud física temperatura de una habitación, su fluctuación producirá variaciones en la tensión de salida del sensor. Es importante comentar que para saber que temperatura tenemos en un momento dado a partir del valor de tensión de salida del sensor, deberemos tener este calibrado, de tal forma que conozcamos la relación grados centígrados - valor de tensión para un rango determinado de temperaturas. Según la naturaleza de la información que lleva la señal eléctrica, esta puede clasificarse en : - señal analógica: el modelo matemático que la describe es una función continua, por tanto transporta una información analógica. Es decir, puede tomar infinitos valores frente al tiempo. (ver fig. 1) figura 1 . señal analógica - señal digital: el modelo matemático que la describe es una función que sólo puede tomar un conjunto finito de valores, por transporta una información digital. El tipo de señal con la que trabajaremos en electrónica digital será un caso particular de la señal digital, la señal digital binaria, en la que sólo son significativos los valores de tensión comprendidos en dos intervalos de tensión diferentes. A todos los valores dentro de cada uno de los intervalos se le asocia un mismo valor lógico, normalmente uno y cero (ver fig. 2) figura 2. señal digital binaria Por tanto podemos concluir que: Un sistema en el que todas sus señales son analógicas se denomina sistema analógico. Un sistema en el que todas sus señales son digitales se denomina sistema digital. Ya hemos visto que las magnitudes físicas con las que convivimos son esencialmente analógicas o continuas ( si no entramos en el ámbito de la física cuántica ). Las variables que modelizan estas magnitudes pueden ser analógicas o digitales dependiendo de la codificación o modelo matemático de las mismas. ( ver fig. 3, ejemplo hora ). figura 3. codificación analógica y digital El proceso que consiste en convertir una señal o variable analógica en digital se denomina digitalización. En la fig. 4 se muestra la digitalización de una señal analógica sinusoidal con una resolución de 3 bits. U.T.N. F.R.T.L.– ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS - Ing. Horacio Martín 6 figura 4. digitalización La mayoría de los sistemas electrónicos construidos procesan señales digitales, pero el mundo físico es fundamentalmente analógico como hemos visto. En consecuencia un sistema digital muy a menudo debe tratar con señales analógicas en su punto de contacto con el mundo exterior (sus entradas), por lo que con frecuencia es necesario digitalizar una señal analógica o a la inversa, transformar una señal previamente tratada digitalmente en analógica, empleándose para ello conversores A/D y D/A respectivamente. COMPUTADORAS ANALOGICAS Y DIGITALES Computadoras analógicas: Las primeras computadoras utilizaban, para representar la información, señales eléctricas analógicas. Para fijar ideas podemos suponer que, para representar un dato numérico, empleaban un voltaje proporcional al dígito que se quería representar. Por ejemplo: para representar el número 4 lo hacían con una señal eléctrica de 4 voltios. El número 413 podría representarse como muestra la fig. 5: Uno de los problemas que afectaban al funcionamiento de estas computadoras eran las interferencias electromagnéticas producidas por otros aparatos eléctricos próximos a las mismas. Estas interferencias constituyen pequeñas corrientes inducidas en los circuitos de la computadora que alteran la información (línea punteada de la figura) generando errores. Por ejemplo: el número 4 quedaba representado por 4,5 o 3,5 voltios por efecto de la interferencia. V 4v 3v 2v 1v 4 1 3 t figura 5. Información analógica Además, otros factores como la deriva térmica afectaban al funcionamiento de estas computadoras, produciendo imprecisión en los resultados. Computadoras digitales: Para solucionar el problema de la imprecisión de las computadoras analógicas, se procede a digitalizar la información representándola en un código binario (ASCII o BCD), que sólo emplea dos voltajes bien diferenciados, generalmente 5 voltios para representar los unos y 0,5 voltios para representar los ceros. Así, siguiendo el ejemplo anterior podemos representar el 413 en BCD (fig. 6): Las interferencias pueden estar presentes (líneas punteadas), pero la información no resulta esencialmente afectada porque la computadora V puede diferenciar fácilmente 5v ambos estados, tomando como unos, todos los voltajes próximos a 5 v y como ceros, todos los voltajes próximos a o,5 v. 0,5 v 4 1 3 figura 6. Información digital t Estas computadoras son, entonces, muy precisas, pero en cambio resultan más lentas que las analógi- U.T.N. F.R.T.L.– ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS - Ing. Horacio Martín 7 cas. Como puede verse comparando en las fig. 5 y 6 el lapso de tiempo empleado para representar la misma información es mayor en la computadoras digitales debido al proceso de codificación.
