FUNDAMENTOS DE INFORMATICA - Departamentos · • Esto es lo que se denomina Direct Memory Access....
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FUNDAMENTOS DE INFORMATICA
TEMAS QUE SE TRATARÁN:
• Arquitectura Interna• Sistemas Operativos• Programación en Visual Basic • Bases de Datos• Redes e Internet
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FUNDAMENTOS DE INFORMATICA
Tema 1: Arquitectura interna de un computador y
periféricos.
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática Universidad de Vigo
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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.
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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.
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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.
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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.
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Introducción: Conceptos básicos.
Ratón
Pantalla
Teclado
Periféricos ó
dispositivos de E/S
Ordenador, computadoraó PC
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Introducción: Conceptos básicos.
• ¿Cómo se conectan los dispositivos de E/S?
Control dispositivo
E/S 1
Dispositivos del
ordenador
Bus
Control dispositivo
E/S 2
conectores
Ordenador
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Introducción: Conceptos básicos.
Puertos E/S• 2 puertos USB• 1 puerto serie• 1 puerto paralelo
Conector de pantalla
Conector de ratón y teclado
Conectores de tarjeta sonido• micrófono• altavoces• línea de entrada
Ranuras libres para añadir otras tarjetas de expansión E/S
¿Cómo se conectan los dispositivos de E/S?
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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
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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
memoria
Unidad aritmético
-lógica
Unidad de
control
Unidad de
salida
Unidad de
entrada
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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
CPU (ALU y control)
Entrada y
salida
Unidad de
memoria
Bus de datosBus de direcciónBus de control
Bus de sistema
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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
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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
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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 seusan tensiones pero se trabaja igualmente con bits o grupos de estos.
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De forma similar, un número binario se usa base 2Por ejemplo:
• 10112 = 1 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20
• Por tanto 1011 en binario es 11 en decimal.
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
Representación binaria. Números
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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.
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Códigos ASCII (ejemplo)
Ejemplo: Teniendo en cuenta estos códigos:código ASCII
h → 1101000o → 1101111l → 1101100a → 1100001
la palabra “hola” se almacenaría en una memoria con celdas de 8 bits:
hola -> 01101000 01101111 01101100 01100001
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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
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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
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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 quasi-aleatorio o secuencial, a diferencia del acceso a la memoria principal (totalmente aleatorio). Ello se debe, por lo general, a la presencia de elementos mecánicos.
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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 yrecupera de forma secuencial.
Byte 1 Byte 2
Pista 1
Pista 9
Dirección de movimiento
Salto entre registros
Registro físico
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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 pasepor debajo de la cabeza.
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Estructura de un disco
• 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.
Pistas
Sector
Cabezalectora
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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.
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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.
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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
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• 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.
Componentes de la CPU
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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.
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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.
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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.
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Tarjetas de expansión E/S
CPUMemoria Tarjeta
E/S serie'abc'
• 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
Cable RS232
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Dispositivos de Entrada
•TecladoDependientes del idioma
•RatónMecánicosÓpticos
•ScannerPíxel por pulgadaPuede usarse con un OCR
•Tablilla digitalInteresante para dibujos
•Webcam
teclado
ratónscanner
Tabla digital
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Dispositivos de Salida
•PantallaTRCPlana
•ImpresoraAgujasLáserTinta
•Plotter
Pantalla
Plotter
Impresora
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Otros dispositivos de E/S
•¿Qué podemos conectar a un PC?Tarjetas de sonidoTarjetas de red para conectarse a redesTarjetas de TV....
•Conexiones estándar:Puerto seriePuerto paraleloUSBConector VGASCSI...
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Placa base para CPU Pentium IV (Asus P4T)
Conector de potencia
Zócalo paraconectar
CPU Pentium IV
Ranuras paramemoria
Ranuras para Tarjetas de
expansión E/S
Conector de E/S básicos
Puentes de configuración
ConectoresIDE para HD, CD,..
38
Algunos detalles
Memoria DIMM Tarjeta de video Ventilador sobre el micro
Zócalo de laCPU
Cable plano para conectar
HD, CD, ...