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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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Memoria secundaria

disco duro

disco flexible

disco óptico

DVD

Pueden ser internas o externas

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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,..

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Algunos detalles

Memoria DIMM Tarjeta de video Ventilador sobre el micro

Zócalo de laCPU

Cable plano para conectar

HD, CD, ...

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Bibliografía

• Fundamentos de los ordenadores (capítulo 1)Autor: Pedro de Miguel AnasagastiEditorial: Paraninfo