Este documento proporciona una introducción a la informática. Explica que la informática trata sobre la adquisición, representación, tratamiento y transmisión automática de información utilizando computadoras. Luego describe las unidades funcionales básicas de un computador como la unidad de entrada, salida, memoria, unidad aritmético-lógica y unidad de control. Finalmente, discute técnicas como la memoria caché y los controladores de E/S y DMA que ayudan a superar las diferencias de velocidad entre las unidades de un

1. Introducción a la Informática1Víctor Menoscal García

2. ContenidoIntroducciónInformáticaDatosCodificación de la InformaciónEstructura funcional de los ComputadoresClasificación de los ComputadoresAplicaciones de la Informática2

3. INTRODUCCIÓNAdquisiciónRepresentaciónTratamiento y Transmisión de la informaciónEstas operaciones se realizan automáticamente utilizando las computadores.3Informática

4. 4Informática (origen francés)INFORMATICA = INFORmación + autoMÁTICALa Real Academia Española de la lengua define:Informática.-el conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores.

5. 5Información: Conjunto de símbolos usados para representar magnitudes, hechos, objetos o ideasComputadora: es una máquina capaz de aceptar unos datos de entrada, efectuar con ellos operaciones lógicas y aritméticas, y proporcionar la información resultante a través de un medio de salida; todo ello sin intervención de un operador humano y bajo el control de un programa de instrucciones previamente almacenado en el propio computador

6. Datos…Conjuntos de símbolos utilizados para expresar o representar un valor numérico, un hecho, un objeto o una idea. Pueden ser captados directamente por el computador:Detectando electrónicamente un sonido o fonema, una temperatura, el entorno de una figura, o el paso de un objetoPueden ser dados en forma de letras y números (grafismos).Los grafismos (caracteres) resultan muy útiles, dada la gran variedad de informaciones que con ellos se pueden representarEs una de las formas más habituales de transmitir, comunicar o almacenar información en la sociedad actual: el lenguaje escritoLos mas usados son:caracteres numéricos (las diez cifras decimales)los caracteres alfabéticoslos caracteres especiales (símbolos ortográficos, aritméticos y otros)6

7. Datos de Salida…Son las salidas de un programa como:Los resultados de un cálculo matemáticoLos resultados la búsqueda de un nombreEstos pueden utilizarse como datos de un programa posteriorLa palabra dato se utiliza como contraposición a instrucciónEl computador actúa con dos tipos de informaciones: Instrucciones: que indican a la máquina qué es lo que tiene que hacerDatos: que son los elementos sobre los que actúa o que genera el programa7La disciplina de Informática es el cuerpo de conocimiento que trata del diseño, análisis, implementación, eficiencia, y aplicación de procesos que transforman la información.

8. Informática como ciencia y técnicaCiencia: Estudio de la información y los métodos para tratarla.Técnica: Estudio y diseño de los ordenadores.8

9. Estructura funcional de los computadores…Diagrama de los primeros computadores es conceptualmente válido hoy día.

10. Antes, era fácil identificar a simple vista cada una de las unidades.

11. En la actualidad, y debido principalmente al desarrollo de la microelectrónica, varias unidades pueden estar en un mismo armario, en una misma tarjeta de circuitos integrados, o incluso (como ocurre con los microprocesadores) en un mismo circuito integrado.9

12. Unidades funcionales…UNIDAD DE ENTRADA (E).

13. Es el dispositivo por donde se introducen los datos e instrucciones.

14. Transforman la información de entrada en señales binarias de naturaleza eléctrica.

15. Ejemplo: el teclado de un microcomputador, el teclado de un terminal, un digitalizador, una lectora de tarjetas de crédito, etc.

16. UNIDAD DE SALIDA (S).

17. Es un dispositivo por donde se obtienen los resultados de los programas ejecutados en el computador.

18. Transforman las señales eléctricas binarias en caracteres escritos o visualizados.

19. Ejemplo: una pantalla o monitor, una impresora o un registrador gráfico.

20. MEMORIA (M).

21. Unidad donde se almacenan tanto los datos como las instrucciones.10

22. Tipos básicos de memoria:Memoria principal, o central, o interna. Mayor velocidadLigada directamente a las unidades más rápidas del computador (UC y ALU)Para que un programa se ejecute debe estar almacenado (cargado) en la memoria principalLa memoria está dividida en posiciones (denominadas también palabras de memoria) de un determinado número de bits.Para leer o escribir una información es necesario dar la dirección de la posiciónROM: la memoria en la que sólo se puede leer y la información es permanenteRAM: se puede leer y escribir y que es volátil.Memoria masiva auxiliar, secundaria o externa. La memoria principal, aunque es muy rápida pero no tiene gran capacidad para almacenar información.Para guardar masivamente información se utilizan otros tipos de memoria (discos, cintas y discos ópticos)Más lentos (mil veces mas lentos)Más capacidad que la memoria principal (mil veces más capaces)Datos y programas se graban (a través de unidades de E) en la memoria masivaLa información guardada es permanente11

23. 12

24. Cont…UNIDAD ARITMETICO-LOGICA o ALU (Arithmetic Logic Unit)Contiene los circuitos electrónicos con los que se hace las operaciones:Aritméticas SumasRestasMultiplicación, etcLógicas comparar dos númerosoperaciones del Algebra de Boole binaria, etc.También se puede denominar unidad de tratamiento o camino o ruta de datos, pues también tiene elementos auxiliares por donde se transmiten o almacenan temporalmente (registros) los datos con que opera.13

25. Cont…UNIDAD DE CONTROL (UC)Detecta señales de estadoprocedentes de las distintas unidades, indicando su situación o condición de funcionamiento. Capta de la memoria una a una las instrucciones del programa, y, de acuerdo con el código de operación de la instrucción captada y con las señales de estado, genera señales de control dirigidas a todas las unidades, monitorizando las operaciones que implican la ejecución de la instrucción.Reloj o generador de PulsosSe encuentra en la unidad de control, por medio de los pulsos sincroniza todas las operaciones elementales del computador. El período de esta señal se denomina tiempo de ciclo (nanosegundos y varios microsegundos). La frecuencia del reloj (millones de ciclos/segundo, o Megahercios, abreviadamente Mhz)Es un parámetro que en parte determina la velocidad de funcionamiento del computador.

26. Otros elementos…El computador es un sistema complejo que está formado por distintas unidades, módulos o dispositivos ensamblados adecuadamente uno con otro.Periféricos: Conjunto de unidades de E/S y de memoria masiva. Interfaces (o interfases):Adaptan las características (niveles eléctricos, velocidad, etc.) de dos módulos que se acoplan, para que la conjunción de los dos funcione adecuadamente, o entre un módulo y su entorno.Sirven de comunicación entre los dos módulosEl concepto de interfaz se aplica también a los programas:Interfaz entre dos programas oInterfaz de usuarioInterfaz de usuario: conjunto de instrucciones que hace que un programa o aplicación intercambie información con el usuario del mismo15

27. Parámetros para caracterización de PrestacionesCapacidad de Almacenamiento: Posibilidades para almacenar datos e instrucciones de una forma fija o permanente. Tiempo de Acceso: de una unidad es el intervalo de tiempo que transcurre desde el instante que se proporciona la dirección del dato/Instrucción que se quiere Leer o Escribir (E/L, I/O) y el instante en se obtiene o grava en el mismo. Ancho de banda: Representa la cantidad de información transferida por segundo entre una unidad y otra. Por ejemplo, el ancho de banda entre la memoria y la CPU es de 133 MB/s, En un segundo se pueden transferir 133 millones de bytes entre las unidades citadas. Palabra: es una unidad superior a la byte, pues este esuna unidad de información relativamente pequeña para los cálculos que realiza la ALUEstá formada por un número entero de bytes (1, 2, 4, 8 o 16)Representa a los datos con los que opera la ALU o a las unidades de información que se transfieren entre la memoria principal y la CPU.16

28. 17Cont…Longitud de palabra:número de bits (integrantes de datos o instrucciones) que se transmiten simultáneamente entre las unidades del computador central en un instante dado.Coincide con el número de bits de la mayoría de los datos e instrucciones con las que opera la CPU. En la mayoría de computadores de longitud de palabra de 32 bits el direccionamiento a memoria se efectúa por bytes, y es posible acceder directamente a bytes (8 bits), medias palabras (16 bits), y palabras (32 bits). Algunos incluso permiten acceder a dobles palabras (64 bits).La longitud de palabra determina, en cierta medida, la precisión de los cálculos, la capacidad máxima de la memoria principal y la variedad de instrucciones de la máquina.Registros. Elementos internos a la CPU, para memorizar temporalmente la información correspondiente a una palabra o a un byte.Ejemplo: cuando la ALU realiza una suma, ésta se efectúa entre dos datos que temporalmente la UC los almacena en dos registros, el resultado de la operación, a su vez, debe almacenarse en un registro (suele utilizarse uno de los dos sumandos).

29. 18Factores importantes que determinan la potencia de un computadorSon: La longitud de palabra, El tiempo de ciclo, El ancho de banda y La capacidad de memoria

30. Estructuras Básicas de ComputadoresLas unidades funcionales de un computador se interconectan de acuerdo con una determinada organización. La interconexión se realiza mediante hilos conductores en paralelo que transmiten simultáneamente información (una palabra de datos, por ejemplo).Se consigue una velocidad razonable de funcionamiento. BUS: Conjunto de cables que transmite información en paraleloSon de tres tipos:sub-bus de datossub-bus de direcciones sub-bus de control19

31. Cont…Sub-Bus de DatosTransporta los datos que se transfieren entre las unidades.Su número de hilos determina la longitud de palabra del computador.Si un computador contiene un sub-bus de datos de 16 hilos para transmitir simultáneamente datos de 16 bits, se dice que esta organizado en palabras de 16 bits. Suele ser bidireccional; transmite información hacia adentro o hacia afuera de una unidad (la CPU, por ejemplo), en instantes diferentes.Sub-Bus de DireccionesTransporta la dirección de posición de memoria o del puerto periférico que interviene en el tráfico de información (de donde procede el dato o a donde se dirige).Sub-Bus de ControlContiene hilos que transporta las señales de control y las señales de estado, indicando la dirección de la transferencia de datos, coordinando la temporización de eventos durante la transferencia, transmitiendo las señales de interrupción, etc.20

32. Las formas más sencillas de interconexiones de unidades son:21MemoriaCPUPeriférico 0Periférico 1Bus del sistemaa)a) Organización con un bus específico para conexión CPU- MemoriaDispone de un bus específico de interconexión CPU-Memoria. Todo el tráfico de información entre periféricos y memoria, necesariamente ha de hacerse a través de la CPU.

33. Cont…22MemoriaCPUPeriférico 0Periférico 1Bus del sistema b)b) Organización con estructura de bus únicoEsta configuración es más sencilla, y utiliza un único bus. Todas las unidades se conectan a él.Este bus se denomina bus del sistema.Como en un instante dado sólo puede transmitirse una información por el bus, solo una unidad (el procesador ) puede tener el control del bus del sistema. La ventaja principal de esta estructura es su bajo coste y flexibilidad para conectar periféricos.

34. Problema en el funcionamiento global del computador:Es el de las diferentes velocidades operativas del mismo. La CPU es mucho más rápida que la memoria principal (unas 10 veces)La memoria es muchísimo más rápida que los periféricos (unas 200.000 veces). En toda transferencia de información entre dos unidades la unidad más lenta impone la velocidadPor esto el rendimiento global del computador sería muy bajo.Recordemos que en toda instrucción máquina al menos hay una transferencia entre CPU y M.Esto relentiza considerablemente la velocidad de la CPU. SoluciónSe han ideado diversas técnicas:memoria caché, controladores de E/S y controladores DMA23

35. Memoria Oculta o CachéEs una pequeña memoria rápida que se coloca entre la memoria principal y el procesador, de forma tal que éste se comunica directamente con ella y no con la memoria principal.

36. Son mas caras

37. Los microprocesadores modernos suelen incluir en su propio chip parte de la caché.

38. Se caracteriza por guardar aquellos datos e instrucciones que son usados con frecuencia por la CPU, en un determinado proceso de datos.

39. Datos comparativos entre CPU, caché y memoria principal (los valores dados son órdenes de magnitud)24

40. Controlador(o canal o procesador)de entradas/salidas(o de periféricos) Es un procesador especializado en controlar las operaciones de transferencia de datos entre los periféricos conectados a él, y entre éstos y la CPU. Estas operaciones de control normalmente son función de la CPU, por lo que los controladores de E/S descargan trabajo a la CPU. Una vez finalizada la operación encomendada por la CPU, envía a ésta una señal de interrupción indicando que está listo para realizar otra operación. Cada controlador de entradas/salidas monitoriza la actuación de distintos periféricos.Su conexión con el bus del sistema suele denominarse canal de entrada/salida o sencillamente canal.25

41. Cont…26CPUPer.0nPer.01Per.00Per.1nPer.11Per.10Memoria PrincipalCachéControlador de E/SControlador de E/SBus del sistemaa)a) Configuraciones con controladores de entrada/salida de bus únicoMuestra una estructura con un bus único que incluye memoria caché y controladores de E/S.Es una estructura de bus únicoEl inconveniente es que una orden de transferencia de datos entre periféricos de dos canales distintos puede interferir con, por ejemplo, la captación de una instrucción de la memoria principal por la CPU.

42. Cont…27Per.10Per.11Per.1nPer.01Per.0nPer.00Controlador de E/SControlador de E/SCPUCanal 1Canal 0MemoriaprincipalCachéAdaptador busBus delsistemab)b) Configuraciones con controladores de entrada/salida con un bus específico de E/SPara evitar este problema usualmente se utiliza una estructura con dos buses.En el aparece un bus específico de E/S.

43. Cont…Los controladores de E/S evitan que la CPU tenga que adaptarse entre operaciones de E/S individuales a la velocidad y ritmo que marca el periférico con el que se hace la transferencia. La CPU sigue siendo responsable de todas las operaciones individuales de E/S. Las operaciones de E/S que realizan los usuarios, normalmente se hacen entre la M y un periférico, y viceversa28

44. Controladores DMA(Direct Memory Access = acceso directo a memoria)29Per.10Per.11Per.1nPer.01Per.0nPer.00Controlador de E/SControlador de E/SCPUCanal 1Canal 0MemoriaprincipalCachéDMABus delsistemaSe han creado para descargar de este trabajo a la CPU.Es un procesador especializado para transferir datos entre memoria y un periférico (y viceversa).Mientras la CPU puede realizar otras tareas. Es externo a la CPU y actúa, combinadamente con la CPU, como controlador del bus.

45. Cont…Cuando se hace una transferencia de un bloque de información controlado por DMA, previamente la CPUinicializa unos registros especializados del DMA en los que se especifica: tamaño del bloque a transferir,dirección inicial del bloque a leer en la unidad de origen, dirección inicial donde se escribirá el bloque en la unidad de destino y sentido de la transferenciaUna vez inicializado el DMA, la CPU cede el control del bus al DMA, encargándose éste de controlar toda la transferencia de información. Mientras la CPU puede realizar otras tareas. Una vez finalizado el trasvase del bloque, el DMA envía a través del sub-bus de control una señal de interrupción al procesador, para que éste vuelva a tomar el control del bus del sistema. 30

46. Jerarquía De MemoriaParámetros: capacidad, velocidad y precioProblema: Diferencia de velocidad de 1 ó 2 órdenes de magnitud entre procesador y memoria.31

47. Cont…32

48. Soporte Físico (hardware) y Soporte Lógico (software)Soporte Físico, o HardwareEs la máquina en síEl conjunto de circuitos electrónicos, cables, armarios, dispositivos electromecánicos, y otros elementos físicos que forman el computador.La palabra hardware no sólo se utiliza para designar los dispositivos físicos del computador y su interconexión (arquitectura), sino también todo lo relacionado con ellosSoporte Lógico, Software o LogicalEl conjunto de programas (del sistema operativo, de utilidades, y de los usuarios) ejecutables por el computador.Para que un computador funcione es necesario utilizar programas.Tan imprescindible es el hardware como el software.No son sólo los programas de un computador, sino que también todas las materias relacionadas con la construcción de los programas:organización y estructuración de los datos, construcción de algoritmos, análisis de aplicaciones, metodología utilizada para redactar programas, etc.33

49. InterrupciónInterrupción, excepción,fallo,aborto o TrapEs una detención de la ejecución de un programa antes de que concluya, continuándose después con la ejecución del programa interrumpido34Normalmente se realiza para ejecutar otro programa o procedimiento prioritario o procedimiento de gestión de la interrupción. Cont…Causa de las Interrupciones:Fallo de la alimentación. El computador puede disponer de sistemas auxiliares que detecten anomalías en el suministro de energía eléctrica. Caso de que se prevea que inminentemente se va a producir una caída de tensión, se puede generar una interrupción que lance a ejecutar un programa que salve el contenido total de la memoria en disco. Anomalías del hardware.Si detecta un fallo del hardware puede generar una interrupción que lance a ejecutar un programa que produzca el consiguiente mensaje de error y/o reconfigure el hardware. Petición de E/S de un periférico.El método más común de efectuar una operación de E/S es por medio de interrupciones. 35

50. Cont…Desbordamiento. Cuando en un cálculo aritmético se produce un desbordamiento, es normal producir una interrupción, para lanzar a ejecución un programa que de un mensaje de error, o se tomen otras medidas tendentes a no falsear los resultados de la ALU.Utilización de una instrucción máquina inexistente. Está anomalía se produciría cuando en el registro de instrucción (IR) se carga un valor que no corresponde a ningún código del lenguaje máquina. El procedimiento que atendería a la interrupción daría un mensaje de error.Gestión de tiempo compartido. El tiempo compartido permite la ejecución concurrente de varios programas ubicados simultáneamente en memoria.El sistema operativo va dando pequeños turnos sucesivos de tiempo a cada uno de los programas, de forma tal que todos van avanzando en su ejecución.Los sistemas disponen de un temporizador (reloj de tiempo real) que genera una señal de interrupción cuando transcurre el periodo de tiempo asignado a cada programa, y se lanza una interrupción para suspender momentáneamente la ejecución del programa.36

51. Cont…Violación de la protección de memoria.Es corriente que en la memoria principal se encuentren ubicados diversos programas. El computador dispone de mecanismos que detectar si, por error, un programa invade la zona de memoria donde se encuentra otro programa.Este evento suele ser prevenido por medio de una interrupción.Peticiones del programador o usuario. Existe la posibilidad de que el propio programador o usuario deseen provocar una interrupción. 37

52. 38Reconocimiento de la interrupción (IA)2Programa PE quese va a interrumpir1-Inhábil interrupciones-Salvar contenidos CPUPetición de Interrupción (IR)Determinación del origen de la interrupción3Programa preferenteServicio del requerimiento realizadoInstrucciones4-Restaurar contenidos CPU-Habilitar interrupcionesFin de la interrupciónRegreso a PE5Petición de interrupción (Interrupción Request, o IR).Gestión de una interrupción de un procedimiento PE para atender a otro más preferente, volviendo posteriormente a continuar ejecutándose el procedimiento interrumpido

53. Niveles de Descripción de un ComputadorUn computador puede ser analizado o estudiado según distintos niveles conceptuales. La distinción entre niveles más sencilla es la que hay entre software y hardware. Nivel de componentes electrónicostambién denominado nivel de dispositivos y circuitos electrónicosNivel de lógica digitalo nivel de circuito lógicoNivel de microprogramación (microoperaciones)o nivel RTL (Register Transfer Level, nivel de transferencia entre registros o nivel de micromáquinaNivel de lenguaje máquina y ensambladoro nivel de máquina convencionalNivel de sistema operativoo nivel de máquina operativaNivel de programa de aplicacióno nivel de máquina simbólica39

54. 40USUARIOS Y PROGRAMAS DE APLICACIONESNivel de máquina simbólica(compiladores, editores, intérpretes del LC)SoftwareNivel de máquina operativa(sistema operativo)ArquitecturaNivel de máquina convencional(lenguajes máquina y ensamblador))Nivel de micromáquina(microprogramación) HardwareTecnologíaNivel de lógica digitalNivel de dispositivos y ctos. electrónicosNiveles de Descripción de un Computador

55. Clasificación de los ComputadoresSegún la Generalidad de uso o Propósito:De uso general: Puede dedicarse a distintos tipos de aplicaciones, tales como gestión administrativa, cálculo científico, etc. De uso específico: Es el que únicamente puede utilizarse para una aplicación concreta.Ejemplo, el que contiene un robot, la computadora para el control del tráfico, el de un horno de microondas, etc. Según el Paralelismo:Unico flujo de instrucciones, único flujo de datos (Monoprocesadores): En un instante dado, se encuentra ejecutando una única instrucción con unos datos aislados.Unico flujo de instrucciones, múltiples flujos de datos (Matriciales y Vectoriales ): Para mayores velocidades de cómputo, procesan las instrucciones de una en una, pero cada una de ellas opera con múltiples datos.Múltiples flujos de instrucciones, múltiples flujo de datos (Multiprocesadores y Multicomputadores): Sistemas compuestos por distintos computadores completos trabajando en paralelo e interconectados adecuadamente entre ellos.41

56. Cont…Según la Potencia:Supercomputadores:Pueden ser utilizados simultáneamente por muchos usuarios, en cálculos científicos o de simulación.Son muy caros y su velocidad es enorme. Servidores de gama alta o Mainframes:Dedicados principalmente a las gestión, por lo que admiten gran cantidad de trabajos simultáneos.Ejemplo: controlar una red de terminales en las distintas sucursales de una empresa, o una red de cajeros automáticos de un Banco. 42

57. Cont…Servidores de gama media y básica: Son equipos en principio dedicados a tareas departamentales dentro de un organismo o empresa. Su capacidad principal es la de soportar gran cantidad de terminales, pues están orientados a la gestión.Bajo precio en comparación con los grandes ordenadores.Computadores personales:Son equipos ampliamente difundidos.Precio muy reducido.Prestaciones suficientes no sólo para el nivel personal, sino para pequeñas empresas. Actualmente se están conectando entre sí, formando grandes redes lo cual los hace adecuados para entornos más exigentes, sustituyendo en muchos casos a los miniordenadores.43

58. Cont…Computadores MóvilesSon monousuario, dotados de grandes capacidades de cálculo y con posibilidades gráficas muy elevadas. Se caracterizan por su pequeño tamaño, peso reducido y alimentación por acumuladores para gran movilidad.Incluyen:Asistentes digitales personales (PDA)Computadores de bolsillo, organizadores y agendaComunicadores personales (teléfonos)Calculadoras programables44

59. Cont…Según el ámbito de usoOrdenador de bolsillo:Verdadero sustituto, con tremenda ganancia de precisión, de la antigua regla de cálculo.Ordenador doméstico: Pensado para juegos, aprendizaje asistido por ordenador de diversas materias, gestión de agendas, pequeñas contabilidades domésticas, etc. Ordenador profesional: Diseñado para satisfacer las necesidades de proceso de datos de una amplia gama de profesionales y también de pequeñas oficinas técnicas o empresas familiares. 45

60. Cont..Ordenador departamental:

61. Con capacidad local para abordar con autosuficiencia la mayoría de necesidades del departamento, pero vinculado a un ordenador de mayor potencia y capacidad de archivos para aquellos procesos que requieren una mayor potencia en el procesador.

62. Ordenador central:

63. Ordenador central de la empresa al cual recurren todos los usuarios de la empresa cuando la capacidad local es desbordada.

64. Red de ordenadores:

65. Conjunto de ordenadores vinculados entre sí para ofrecer un mismo tipo de servicio a un conjunto de usuarios, en forma repartida evitando sobrecargas y la caída de un ordenador único central que represente la caída de todo el servicio.46

66. Deber…Presentación de:Proceso de Encendido del ComputadorBios, Cmos, SetupDEBER EN GRUPO47

67. Computadores Personales (Pc)Se observa que hay una gran variedad de busesLas unidades centrales se ensamblan en una placa base (tarjeta madre), en la que existen ranuras para tarjetas de expansión.48

68. Cont…Memoria principal: Se suministran en pequeñas tarjetas de circuito impreso o módulos de memoriaque agrupan varios chips. Tipos de módulos:SIMM, pueden contener 8 chips de 32 o 64 Mbits cada uno totalizando una módulo de 32 ó 64 Mbytes, respectivamente. Hay versiones con conectores de 30 ó72 contactos, según sea de 8 ó32 bits el ancho del bus. DIMM, pueden almacenar 64 ó128 MB o más. Los contactos están por las dos superficies de la tarjeta, teniendo 84 por cada lado (168 en total. En un instante dado es capaz de leer o escribir datos de 64 bits (ancho del bus de datos de 64 hilos). RIMM, son como los DIMM, pero tienen una asignación de conectores distinta, y se usan como módulos de las memorias Direct RDRAM49