Informática Básica

Conceptos Fundamentales Estructura Funcional de un Computador Instrucciones y datos: programas Orígenes y Desarollo Conceptos Básicos Representación de la información numérica Codificación de información alfanumérica

Tema 1: Introducción a la InformáticaInformática Básica

Candelaria Hernández Goya

Departamento de Estadística, I.O. y ComputaciónUniversidad de La Laguna

15 Septiembre 2010

Hernández Goya Informática

Contenidos1 Conceptos Fundamentales2 Estructura Funcional de un Computador

Unidad de ControlUnidad aritmético-lógicaPeriféricos

3 Instrucciones y datos: programas4 Orígenes y Desarollo

Eventos históricosAvances de la electrónica

5 Conceptos BásicosDefinicionesCodificaciónTipos de Información

6 Representación de la información numéricaSistemas de representación posicional: Enteros sin signo

Sistema decimalSistema octal y hexadecimalConversión entre sistemas de numeración

Sistemas de representación posicional: Enteros consigno

Complemento a 1Complemento a 2

Sistemas de representación posicional: Números realesNormalización IEEE − 754

Operaciones Lógicas7 Codificación de información alfanumérica

Definiciones Básicas

Informática: (INFORmación autoMÁTICA) Estudia el tratamientoautomático y racional de la información. (Computer Science).

Informática = Computador + Aplicaciones Informáticas

Aplicación Informática: Conjunto de programas diseñados conuna finalidad determinada.

Computadora: Dispositivo capaz de procesar datos de entradade acuerdo a un conjunto de instrucciones lógicas yaritméticas generando la información resultante que seráproporcionada a través de un medio de salida.

Conceptos Fundamentales (Cont.)

Codificación: Transformación que permite representar loselementos de un conjunto mediante los de otro conjuntode manera que se comprima y estructure la información.Programa: Conjunto de órdenes que se dan a unacomputadora para realizar determinado procesoSistema informático: Elementos físicos (Hardware) ylógicos (Software) necesarios para la construcción yutilización de aplicaciones informáticas.Sistema operativo: Software usado como interfaz entre loselementos de hardware y el usuario.

Estructura Básica de un Computador

De acuerdo al modelo von Neumann, un computador estáformado por:

Unidades de entradaUnidades de salidaMemoria secundariaMemoria principalUnidad de control (UC)Unidad aritmético-lógica (UAL)Memoria

Unidad central de procesos (CPU/Procesador): Cerebro de lacomputadora. Coordina y realiza todos los procesos delsistema informático. Compuesta por la UC y la ALU.

Esquema von Neumann

Memoria principal

Área de almacenamiento que soporta el S.O., instrucciones demanipulación de datos y datos.

Estructura de la memoria principal: dirección de memoriaSe divide en posiciones de un número determinado de bits (n).En cada una de ellas se almacena información. Cada posiciónse referencia por su dirección dentro de la zona de memoria.De manera que cuando se deee escribir o leer un dato oinstrucción es necesario indicar la dirección del mismo.

Memoria de sólo lectura (ROM): Memoria no volátil.Instrucciones básicas de arranque que verifica que el restode la memoria esté funcionando correctamente, buscadispositivos hardware y el S.O. No puede ser modificada.Memoria de acceso aleatorio (RAM): Memoria volátil.Soporta datos y programas. Acceso directo.

Componentes de la Unidad de Memoria

Componentes:Registro de dirección: Dirección de la celda que se va ausar en la siguiente operación.Registro de intercambio: Recibe el dato señalado por elRD (lectura) para ser enviado por el bus a donde serequiere o recibe el dato del bus para transferirla a laposición indicada por el RD (escritura).Selector de memoria: Conecta la celda de memoriaalmacenada en el RM con el RI.

Enlaces de comunicación entre partes del computador. Cuellosde botella del sistema.

Tipos:Datos: Se transmiten datos que han sido leídos de lamemoria central o se desea almacenar en la misma.Direcciones: Transmisión de direcciones hasta la memoriacentral.Control: Datos de sincronización.

Proceso de lectura escritura

1 A través del bus de direcciones llega una dirección dememoria que se almacena en el registro de direcciones.

2 Por el bus de control llega un indicativo de si la operacióna realizar es de lectura o escritura.

Si es de escritura: por el bus de datos llega la palabra quese quiere escribir. Se almacena en el registro deintercambio y se escribe sonde indique el registro dedirección.Si es de lectura: se lee la información que se encuentra enla dirección almacenada en el registro de direcciones y seescribe en el registro de intercambio.

3 La memoria genera una señal que indica el final de laoperación.

Unidad de Control: CU

Coordina y gobierna todas las operaciones que se realizan en laCPU. Comprueba y administra las demás partes de la computadora.Además, selecciona, verifica e interpreta las instrucciones delprograma y después verifica que se ejecuten Contiene:

Contador de programa: Apunta a la siguiente instrucción aejecutar.Registro de instrucción: Instrucción actual.Decodificador: Extraer el código de instrucción, lo interpreta yenvía la inf. necesaria para ejecución.Reloj: Generador de pulsos para sincronizar las operacioneselementales.Secuenciador: Genera órdenes elementales para ejecutar lainstrucción cargada en RI.

Unidad aritmético-lógica (ALU)

Realiza todos los cálculos, todas las comparaciones y generalos resultados.La ALU contiene una memoria construida directamente en laCPU que se usa para guardar los datos que se estánprocesando por la instrucción actual. Operacionesaritmético-lógicas:

1 Aritméticas: ADD, SUBS, MULT, DIV.2 Lógicas: AND, OR, EXCLUSIVE OR.

Unidad aritmético-lógica (ALU) Cont.

Usa el bus de datos. Compuesta por:Circuito operacional: Realización de operaciones condatos procedentes de los registros de entrada.Registros de entrada: Almacenan los datos queintervendrán en la operación (operandos) inmediata.Registro acumulador: Almacena los resultados de lasoperaciones. Conectado con registros de entrada.Conexión con el bus de datos.Registro de estado: Almacena condiciones a tener encuenta de la operación anterior.

Periféricos Comunicación

MonitorTarjeta de video.Imagen formada por puntos (píxeles), cada unoconteniendo un color. Según los bits que dediquemos acada punto, se podrá tener más o menos colores.Codificación de los colores en base a tres componentes:rojo, verde y azul. Dos posibilidades para almacenarlos:

Un valor por pixel: tablaValores de las tres componentes.

Periféricos de Entrada y Almacenamiento

Elementos de EntradaDispositivos encargados de introducir los datos y los comandospara la manipulación de datos. Reciben la información y lapreparan para que la máquina pueda procesarla. (Teclado okeyboard, Ratón o mouse, etc.)

Almacenamiento: Discos durosObjetivo: Almacenar datos de forma masiva. Ppal mediode almacenamiento secundario. Gran capacidadEstructura: Varios platos recubiertos de materialmagnético. Cada cara de cada uno de los discos estádividida en pistas. Conjunto de pistas paralelas endiferentes caras: cilindros. Cada pista se divide ensectores. Cada sector tiene 512 bytes.

Periféricos de Almacenamiento (Cont.)

CD-ROMAlmacenamiento óptico y no magnético.Sólo usa una cara.Un láser proyecta sobre el disco distinguiendo zonasdonde se refleja y otras en las que no.Tipos de lectores:

SCSI: Se conectan a una controladora.IDE/ATAPI: Se conectan como si fuera otro disco duro (sólode lectura).

Velocidad estándar: 150KB/s (2x, 4x,..., 52x)

DVDmayor capacidad por usar dos caras. (1x = 1250 KB/s)

Otros elementos

Tarjeta de video: Interpreta los datos, los envía alprocesador, los convierte y los envía al monitor.Tarjeta de sonido: digitaliza (señal discreta) ondas sonorasen formato analógico (señales continuas) para que losaltavoces las puedan reproducir.Tarjeta de red: Conectar el ordenador a una red de trabajoy maneja paquetes de datos

Definiciones

InstrucciónConjunto de símbolos que representan una orden que actúasobre datos.

Programa

Conjunto ordenado de instrucciones que la computadora debedesarrollar generalmente sobre un conjunto de datos. Ladescripción de las reglas y símbolos para laconstrucción deprogramas viene especificado por el lenguaje de programacióna utilizar.

Tipos de instrucciones en un lenguaje deprogramación

Instrucciones de transferencia de datosInstrucciones de tratamientoInstrucciones de flujo de controlOtras instrucciones

Los primeros computadores

Colossus: Alan Turing, durante la Segunda Guerra Mundialjunto a un grupo de matemáticos británicos construyeron(1939-1943) el Colossus, cuya tarea secreta fue la dedescifrar los códigos alemanes. Incorporaba 1500 válvulasde vacío. Pesaba 70 toneladasEl célebre ENIAC (Electronic Numerical Integrator andCalculator) o primer computador americano, construido en1946 en la Universidad de Pensilvania. Contenía 18.000válvulas de vacío y tenía una velocidad de varios cientosde multiplicaciones por minuto. Pesaba 30 toneladas

Colossus

Avances de la electrónica

Primera Generación: 1940-1950. Interruptores: Válvulasde vacío. Muy grandes. Extremadamente lentos.Propensos a fallos frecuentes. Incluyen al COLOSUS,ENIAC, ...Segunda Generación: 1950-1965. Interruptores:Transistores. Más pequeños. Hasta miles de veces másrápidos. Más fiables y baratosTercera generación: 1965-1970. Interruptores: circuitosintegrados. Reducción importante de tamaño y coste.Incremento importante en fiabilidad y velocidadCuarta Generación: Desde los 1970 hasta nuestros días.Microprocesador Coste tan bajo que pueden adquirirsepara usarse como hobby.

Avances de la electrónica

Generación Tecnología Software Entrada de datos

1a (1940-1954) Válvulas de vacío Lenguaje máquina Numéricos (tarjetasperforadas)

2a (1954-1965) Transistores Ensambladores Alfanuméricos (tarjetasperforadas)

3a (1965-1975) Circuitos integrados Sistemas operativos:lenguajes de alto mivel

Alfanuméricos (tarjetasperforadas)

4a (1975-1990) Circuitos integrados ymicroprocesadores

Multiproceso: lengua-jes de muy alto nivel

Alfanuméricos, imáge-nes (soportes diver-sos)

5a (1990-hoy?) Escala de integraciónenorme

Lenguajes coloquiales;inteligencia artificial

Válvula de vacío

Transistor

Circuito Integrado

Microprocesador

Tipos de Computadora

Supercomputadores: Cálculos intensivos. P.e.predicciones meteorológicasMainframes: Gran capacidad. P.e. CCTIEstaciones de trabajo. Más potentes que los PCOrdenadores PersonalesOrdenadores Portátiles. Laptop, PalmtopOrdenadores Empotrados. Sensores

Tema 1: Introducción a la InformáticaInformática Básica

Candelaria Hernández Goya

Departamento de Estadística, I.O. y ComputaciónUniversidad de La Laguna

15 Septiembre 2010

Contenidos1 Conceptos Fundamentales2 Estructura Funcional de un Computador

Unidad de ControlUnidad aritmético-lógicaPeriféricos

3 Instrucciones y datos: programas4 Orígenes y Desarollo

Eventos históricosAvances de la electrónica

5 Conceptos BásicosDefinicionesCodificaciónTipos de Información

6 Representación de la información numéricaSistemas de representación posicional: Enteros sin signo

Sistema decimalSistema octal y hexadecimalConversión entre sistemas de numeración

Sistemas de representación posicional: Enteros consigno

Complemento a 1Complemento a 2

Sistemas de representación posicional: Números realesNormalización IEEE − 754

Operaciones Lógicas7 Codificación de información alfanumérica

Definiciones

Código binario: Utilizado para representar información condos estados: nivel lógico alto (1) y nivel lógico bajo (0).BIT (BInary DigiT): Unidad más elemental dealmacenamiento de información.Byte: ( 8 bits) Número de bits necesarios para representarun cará cter.Escala para medir la cantidad de información (MúltiplosByte)

1 Kilobyte (Kb.) = 1024 bytes.1 Megabyte (Mb.) = 1024 KB1 Gigabyte (Gb.) = 1024 MB1 Terabyte (Tb.) = 1024 GB1 Petabyte (Pb.) = 1024 TB

Codificación

Representación de la informaciónPara poder representar la información ha de sufrir unacodificación que permita almacenarla y tratarla.

Codificación:Transformación que representa los elementos de un conjuntomediante los de otro, de forma tal que a cada elemento delprimer conjunto le corresponda un elemento distinto delsegundo.

Tipos de información

Numérica: Enteros, Reales, Ordinales, complejos.Alfanumérica.

Caracteres alfabéticos a,b,...z,A,B,...ZCaracteres numéricos 0,1,....9Caracteres especiales (,),*,+,-,?,....Caracteres de control fin de línea, carácter desincronización, avance de página, ...Caracteres gráficosGráfica. Vectoriales

Representación posicional de los números

Teorema fundamental de la numeración

∑xiBi = ...+x4B4+x3B3+x2B2+x1B1+x0B0+x−1B−1+x−2B−2+...

Base 10 (B=10): Sistema decimal. 0,1,2,...,9Base 2 (B=2): Sistema binario. (0,1)Base 8 (B=8): Sistema octal. (0,1,...7)Base 16 (B=16): Sistema hexadecimal. (0 ,.. , 9, A, .., F)

Sistema Decimal

Es un sistema posicional, ya que el significado de un símbolodepende fundamentalmente de su posición relativa al símbolocoma (,) que en caso de ausencia se supone colocadaimplícitamente a la derecha

no =n∑

i=−d

(digito)i(base)i

base = 10.i = posición respecto a la coma (centésimas (i = −2),décimas (i = −1), unidades (i = 0), decenas (i = 1),centenas (i = 2),...).d = no de dígitos a la derecha de la coma.n =no de dígitos a la izquierda de la coma -1.dígito = cada uno de los componentes del número(0, 1, · · · , 9).

Ejemplo:

324, 52 = 2 ∗ 10−2 + 5 ∗ 10−1 + 4 ∗ 100 + 2 ∗ 101 + 3 ∗ 102

Sistema octal y hexadecimal

Decimal Binario Octal0 000 01 001 12 010 23 011 34 100 45 101 56 110 67 111 7

Ejemplos

74(8 = 4 ∗ 80 + 7 ∗ 81

A9F(16 =F ∗ 160 + 9 ∗ 161 + A ∗ 162

Decimal Binario Hexadecimal0 0000 01 0001 12 0010 23 0011 34 0100 45 0101 56 0110 67 0111 78 1000 89 1001 910 1010 A11 1011 B12 1100 C13 1101 D14 1110 E15 1111 F

Conversión del sistema decimal a cualquier otrosistema

Parte entera:

Dividir el número original sin decimales entre la base. Se repiteel procedimiento con los cocientes obtenidos hasta que no sepueda continuar diviendo (cociente = 0).

Resultado: los restos de estas divisiones ordenados a la inversa.

Ejemplo: El número 77 en binario es: 1 0 0 1 1 0 1

Número Resto Base77 1 238 0 219 1 29 1 24 0 22 0 21 1 20

Conversión del sistema decimal a cualquier otrosistema

Parte fraccionaria:Multiplicar la parte fraccionaria del número original por labase. Repetir el procedimiento con las partes fraccionariasde los números obtenidos.Resultado: La secuencia de dígitos obtenida al considerarlos dígitos a la izquierda de la coma decimal en elresultado de cada producto es la representación en base bbuscada.

Ejemplo0, 1875x2 = 0, 75; 0, 75X2 = 1, 5; 0, 5x2 = 1, 00, 1875 = 0, 011(2

Conversión de cualquier sistema de numeración aldecimal

Equivalente a utilizar el teorema fundamental de lanumeración directamente.

1 Con los dígitos a la izquierda de la coma: Multiplicar cadauno de los términos por potencias crecientes de la basehacia la izquierda, y realizar la suma de las operaciones.

2 Con los dígitos a la derecha de la coma: Multiplicar lostérminos por potencias negativas.

Conversión de los sistemas octal y hexadecimal abinario

Para cada cifra en octal o hexadecimal, buscar su equivalenciaen binario (tabla 3) y transcribirla respetando el orden de lasmismas.

Ejemplos:1 2E8F(16 → 0010 1110 1000 1111(2

2 3065(8 → 011 000 110 101(2

Conversión del sistema binario al sistema octal ohexadecimal

Binario a octal: Se agrupan los dígitos binarios de tres entres, comenzando con el bit menos significativo. Secompleta con ceros a la izquierda en caso de sernecesario. Posteriormente, cada grupo se codifica deacuerdo con el sistema octal.Binario a hexadecimal: Se agrupan los dígitos binarios decuatro en cuatro, comenzando con el bit menossignificativo. Se completa con ceros a la izquierda en casode ser necesario. Posteriormente, cada grupo se codificade acuerdo con el sistema hexadecimal.

Ejemplos:1 11 101 101(2 → 011 101 101(2 → 355(82 1110 1101(2 → 1110 1101(2 → ED(16

Representación de enteros con signo

Signo magnitudComplemento a 1 (C1)Complemento a 2 (C2)Sesgada o en exceso

Complemento a 1

Se utiliza el bit más significativo para el signo.Determinar la representación binaria del número.

Si el número es positivo, la representación anterior coincidecon la representación en complemento a 1.En otro caso: Supone realizar la negación de todos los bitsexcepto el de signo.

Rango : [−2n−1 + 1, 2n−1 − 1].El cero posee doble representación.

Ejemplo: +127 y -127 si n = 16 bits127 = 0000 0000 0111 1111(C1 → 007F(hx−127 = 1111 1111 1000 0000(C1 →FF80(hx

Complemento a 2

Se utiliza el bit más significativo para el signo.Determinar la representación binaria del número.

Si el número es positivo, la representación anterior coincidecon la representación en complemento a 2.En otro caso: Supone realizar la negación de todos los bitsexcepto el de signo y sumar 1.

Rango : [−2n−1, 2n−1 − 1].Relación ente notación en complemento a 1 ycomplemento a 2: C2 = C1 + 1.El cero sólo posee una representación.

Ejemplo: +127 y -127 si n = 16 bits127(10 = 0000000001111111C2 → 007F(hx−127(10 = 1111111110000001C2 → FF81(hx

Representación en exceso

Consiste en sumar al número a representar expresado endecimal una constante definida generalmente como 2n−1 ydenominada sesgo. n representa el número de bits de losque se dispone para realizar la codificación. De esta formaque el número siempre resulta positivo.Posteriormente se representa en binario.Rango : [−2n−1, 2n−1 − 1]

El cero es único.

Ejemplo: +127 y -127 si n = 16 bits. Exceso = 216−1 = 32768127(10 = 1000000001111111(exceso 215 → 807F(hx−127(10 = 0111111110000001(exceso 215 → 7F81(hx

Ejemplos

Número C1 C2 Exceso7 0111 0111 11116 0110 0110 11105 0101 0101 11014 0100 0100 1100

+ 0 0000 0000 1000-0 1111 - --1 1110 1111 0111-2 1101 1110 0110-8 - 1000 0000

Sistemas de representación posicional: númerosreales

Cualquier número N se puede representar de la formaN = M ∗ BE .

NotaciónN = Número a representar.M = Mantisa.B = Base.E = Exponente.

Ejemplo:

N = 5437, 8932 = 5, 4378932 ∗ 103

Está normalizado por el IEEE en su especificación 754. (Institute of Electricand Electronic Engineers)

Normalización IEEE − 754

EstructuraSigno (s), Exponente (e), Mantisa (m), siendo nt le número debits total que se dispone para la codificación.

1 s: bit de signo (“0” para positivos “1” para negativos).2 m: nm bits de mantisa. Define la precisión de los datos que

se almacenan. La mantisa se ajusta para que el primeruno (el más significativo) esté en la posición 0. En estecaso se denomina mantisa normalizada.

3 e: ne bits de exponente. Utiliza una representación enexceso 2ne−1 − 1. El exponente que se almacena es2ne−1 − 1 + exponente a representar. Se evita de estaforma almacenar el signo del exponente.

Parámetros de la representación IEEE-754

Tamaños:Simple precisión: nt = 32, ne = 8, nm = 23 y elSesgo = 127Doble precisión: nt = 64, ne = 11, nm = 52 y elSesgo = 1023Valores máximos representables: Se determinan con laexpresión: (2− 2−nm) ∗ 2(2ne−1 − 1)

Simple precisión: (+−)4, 4028 ∗ 10(+−)34

Doble precisión: (+−)2 ∗ 10(+−)307

Cálculo de la representación IEEE-754

Dado un número N, y para una representación definida:1 Conversión a binario. (+−)...n3n2n1n0, n−1n−2n−3.2 Normalización a la forma (+−)1, ....... ∗ 2k .3 Cálculo del exponente a almacenar como:

e = k + 2ne−1 − 1.4 Representación binaria en la forma s,e,mantisa donde s =

(0 si + ó 1 si -). e, es la representación en binario naturalde e. m (mantisa) normalizada.

Operaciones lógicas

Las más usadas son:AND producto lógicoOR suma lógica.XOR suma exclusiva.NOT complemento o negación.

Otras operaciones derivadas:NOR negado de suma lógica.NAND negado de producto lógico.NXOR negado de suma exclusiva.

Puertas Lógicas

Codificación de información alfanumérica

American Standard Code for Information Interchange (ASCII)

Cada elemento se codifica usando siete bits (n=7). A veces se añadeotro bit más, bien para comprobar errores mediante paridad, o bienpara doblar el número de caracteres representables.

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