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08/12/2010
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Funcionamiento del ordenadorUnidad 2 – parte 2
Arquitectura de Von Neumann
Conectaremos permanentemente las
unidades del ordenador bajo un control
central
Se sigue utilizando en la actualidad con
pequeños cambios respecto a la original
Arquitectura Von Neumann La unidad central de proceso (CPU)
Controla y gobierna todo el ordenador
cerebro del ordenador
Interpreta y ejecuta las instrucciones de:
◦ Programas almacenados en memoria
◦ Datos de periféricos de entrada y salida
La potencia de un sistema informático se
mide principalmente por su CPU
Partes CPU
Unidad de control (UC)◦ Interpreta y ejecuta las instrucciones máquina
almacenadas en la memoria principal
◦ Genera señales de control necesarias para ejecutarlas
Unidad Aritmético-lógica (UAL o ALU)◦ Recibe datos sobre los que efectúa operaciones
de cálculo
◦ Toma decisiones lógicas
◦ Devuelve el resultado
◦ Todo ello bajo la supervisión de la UC
Partes CPU
Registros:
◦ Pueden ser de trabajo o de propósito general
◦ Se almacena información temporal
◦ Constituyen el almacenamiento interno de la
CPU
◦ Se encarga del control y ejecución de todas
las operaciones del sistema
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Buses
Utilizados por la CPU para:
◦ Aceptar órdenes del usuario
◦ Acceder a los datos
◦ Presentar resultados
Conectan la CPU con los dispositivos de
almacenamiento, entrada y salida.
Los registros internos del
microprocesador Son celdas de memoria de alta velocidad
que permiten a la CPU almacenar datos
temporalmente
Formados por un conjunto de bits que se
manipulan en bloques de múltiplos de 8
(8,16, 32…)
Los registros internos del
microprocesador El tamaño del registro indica el número
de bits que puede manipular a la vez el
procesador
Cuanto mayor sea, más potente será el
micro
Los registros internos del
microprocesador Las primeras CPU tenían 8 bits
Los primeros PC registros de 16 bits.
Solo podían utilizar software como:
◦ DOS
◦ Windows 3.x
Con 32 bits se puede utilizar mayor
cantidad de memoria (micro 80386)
Los registros internos del
microprocesador En una arquitectura de 64 bits se puede
direccionar memoria de 2 elevado a 64
En la arquitectura de 32 bits el máximo
de RAM se limita a 4Gb (2 elevado a 32)
Los registros internos del
microprocesador Se pueden dividir en dos tipos:
◦ Visibles al usuario
◦ De control
◦ De estado
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Registros visibles al usuario
Referenciados por lenguaje ensamblador
o máquina para optimizar recursos
Existen tres categorías
◦ Registros de dirección:
Contienen las direcciones de memoria donde se
encuentran los datos.
Algunos de los más utilizados son los registros de
índices y los punteros de pila.
Registros visibles al usuario
◦ Registros de datos:
Se usan para contener datos.
Esto hace que aumente la velocidad del proceso
Sobre todo cuando un dato es muy solicitado, pues se deja en un registro y no hay que acceder a la memoria.
◦ Registros de condición
También llamados flags
Son bits fijados mediante el hardware
Indican si una operación devuelve un resultado positivo, negativo o nulo, si hay overflow, etc.
Registros de control y de estado
Son los que intervienen en la ejecución
de las instrucciones.
Tipos:
◦ Contador de programa (CP)
También llamado contador de instrucciones
Contiene la dirección de la siguiente instrucción a
ejecutar
Su valor es actualizado por la CPU después de
capturar una instrucción
Registros de control y de estado
◦ Registro de instrucción (RI)
Contiene el código de la instrucción actual
Aquí se analiza el código de operación
◦ Registro de dirección de memoria (RDM)
Contiene la dirección de una posición de memoria,
donde se encuentra o va a ser almacenada la
información
El intercambio se realiza a través del bus de
direcciones
Registros de control y de estado
◦ Registro de intercambio de memoria (RIM)
Recibe o envía la información o el dato de
contenido en la posición apuntada por el RDM
El intercambio de datos con la memoria se realiza a
través del bus de datos
Funcionamiento de los registros
1. El registro controlador de programa (CP) tiene la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar.
Para buscarla, el contenido de esa posición es pasado al registro de dirección de memoria (RDM).
La instrucción apuntada por el RDM se carga en el registro de intercambio de memoria (RIM), y desde aquí pasa al registro de instrucción (RI).
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Funcionamiento de los registros
2. El decodificador de instrucciones
interpreta el contenido del RI, y se
generan las órdenes oportunas para su
ejecución
3. El contador de programa (CP) se
incrementa en 1, para apuntar a la
siguiente instrucción
Buses de comunicación
Son líneas eléctricas u ópticas a través de
las cuales se comunican las distintas
unidades de un ordenador
Son cables por los que circula la
información en forma de bits
Clasificación de los buses
En función de su ubicación:
◦ Internos: soldados a la Placa Base
◦ Externos: IDE
En función del tipo de información que
transportan
◦ Bus de datos
◦ Bus de direcciones
◦ Bus de Control
Bus de datos
Intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades
Se realiza a través de un conjunto de líneas eléctricas, una por cada bit, y se transmiten todos a la vez de forma paralela
La velocidad del bus se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz)
Bus de datos
La CPU tiene un número de bits que
transfiere simultáneamente a través de
este bus.
El tamaño del bus se mide en bits
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Bus de direcciones
Transmite direcciones entre la CPU y la
memoria
Se sincroniza con el de datos
Selecciona la dirección de memoria o el
dispositivo de entrada/salida con el cual
va a intercambiar información
Bus de direcciones
Para determinar el volumen de memoria directamente accesible por la CPU, hay que tener en cuenta el nº de líneas o bits que forman el bus de direcciones
Cuanto mayor sea el nº de bits, mayor es el rango de memoria direccionable
Si un bus tiene 10 bits, se podrá acceder a 2^10 posiciones de memoria
Bus de control
Genera los impulsos eléctricos necesarios
para gobernar el resto de elementos
La Unidad de control
Interpreta y ejecuta las instrucciones
máquina que conforman los programas
Genera las señales de control necesarias
para llevarlas a cabo
Operaciones Unidad de Control
1. Extrae de la memoria principal la
instrucción a ejecutar. Para ello dispone
del CP (Contador de programa) y del RI
(Registro de Instrucción)
2. Una vez conocido el código de
operación, la UC establece las
conexiones con los circuitos de la ALU,
que deberán intervenir
Operaciones Unidad de Control
3. Extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción; es decir, ordena la lectura de la celda cuya dirección se encuentre en el RI (dirección del operando)
4. Ordena a la ALU que efectúe las operaciones necesarias. El resultado de este tratamiento se deposita en un registro especial de la ALU, registro acumulador.
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Operaciones Unidad de Control
5. Finalmente se incrementa el contenido
del controlador de programa, de manera
que coincida con la dirección de la
siguiente instrucción a ejecutar
Componentes de la UC
Decodificador de Instrucción (DI)
Reloj
Secuenciador
Decodificador de Instrucción
Se encarga de extraer y analizar el código
de operación de la instrucción en curso
contenida en el RI
Genera las señales de control necesarias
para ejecutar correctamente la
instrucción
Reloj
Sucesión de impulsos eléctricos a
intervalos constantes
Marca los tiempos de ejecución de los
pasos a realizar por cada instrucción
Marca el ritmo de funcionamiento del
descodificador de instrucción
Reloj
Se encarga de sincronizar todo el sistema
La mayoría de las CPU son de naturaleza
sincrónica; están diseñadas y operan en
función de la señal de sincronización; a
esta señal se la conoce como señal de
reloj, que normalmente toma forma de
onda cuadrada periódica
Atención!
Cuanto mayor es la frecuencia a la que
funciona el reloj de ciclos del ordenador,
menores son los tiempos de ciclo, por
tanto, mayor velocidad de ejecución.
Megahercio, Gigahercio, etc..
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Atención!
Otro factor que se tiene en cuenta en la
velocidad del procesador es el nº de
instrucciones por segundo
Los AMD trabajan a una frecuencia más
baja que los Intel, pero realizan más
instrucciones por ciclo.
Secuenciador
Genera órdenes o micro órdenes
elementales
Sincronizadas con los impulsos de reloj,
hacen que se ejecuten paso a paso
Unidad aritmético-lógica (ALU)
Opera con los datos que recibe siguiendo
las órdenes de la UC
Realiza operaciones:
◦ Aritméticas
◦ Lógica booleana
Recibe un código de instrucción que le
indica que debe realizar
Unidad aritmético-lógica (ALU)
Recibe las direcciones de las celdas de
memoria donde se encuentran los
operandos y la celda donde se almacenará
el resultado
Para poder realizar operaciones más
complejas (fraccionarias, trigonométricas
o logarítmicas) utiliza la unidad de coma
flotante (FPU)
Vocabulario
MIPS = Millones de instrucciones por
segundo
MFLOPS = Millones de instrucciones en
coma flotante por segundo
La memoria principal, RAM
En ella se almacena:
◦ El programa
◦ Los datos
La manipulación de estos está dirigida por
la UC
Está formada por un conjunto de casillas
capaces de almacenar información
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La memoria principal, RAM
Cada casilla contiene 8 bits = 1 byte
Ram de 1KB (2^10=1.024 bytes), dispondra
de 1024 celdas de memoria
RAM de 1MB (2^20 = 1.048.576 caracteres)
Cuando se apaga su contenido desaparece
(volátil)
La memoria principal, RAM
Cada casilla se identifica con una dirección de memoria
Para realizar operaciones de lectura y escritura necesitamos del:◦ Registro de dirección (RDM)
◦ Registro de intercambio de datos (RIM)
Estos, posibilitan la transferencia de los datos a través de la conexión de la dirección del RDM con el RIM
Operaciones con la RAM
Lectura
Escritura
Lectura
En el RDM se almacena la dirección de memoria de la celda que contiene la información
El selector de memoria escoge la dirección contenida en el RDM y carga en el RIM la información de esa celda
Transfiere el contenido del RIM al registro de trabajo de la CPU para que se procese
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Escritura
Los datos que ya han sido procesador por
la CPU llegan a la RIM
En el RDM está la dirección de la celda
destino de la información
El selector de memoria escoge la celda
destino y carga el contenido del RIM en la
celda apuntada por el RDM
Ejecución de una instrucción
Los programas son un conjunto de
instrucciones que se ejecutan en dos
fases:
◦ Fase de búsqueda
◦ Fase de ejecución
Fase de búsqueda
Consiste en localiza la instrucción a
ejecutar dentro de la memoria principal y
llevarla a la UC para procesarla
Fase de ejecución
Es la realización de las acciones que llevan
asociadas las instrucciones:
◦ Suma
◦ Resta
◦ …
Mapas de memoria
Caso práctico pág. 43
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Jerarquía de las memorias
La memorias se organiza en niveles dependiendo de:
◦ Capacidad
◦ Velocidad
◦ Acceso
◦ Coste
El nivel superior será para memorias muy rápidas, menor capacidad y tiempo de acceso mínimo con el coste alto
Jerarquía de las memorias
Cada nivel es más pequeño, más caro y
más rápido que el siguiente
Ver tabla de la pág. 47
Registros de la CPU
Memorias de baja capacidad
Alta velocidad
Integradas en el procesador
Permiten guardar y acceder a valores muy usados
Tiempo acceso: menor al nanosegundo10-9
Memoria caché
Baja capacidad
Muy rápidas
Tiempo acceso: menor a 5 nanosegundos
Permite acelerar el acceso a los datos cuando se supone que van a leerse o modificarse pronto
Memoria caché
Cuando se accede por primera vez a un
dato, se hace una copia en la caché; los
accesos posteriores se realizan a dicha
copia, logrando que el tiempo de acceso
medio al dato sea menor
Memoria RAM
Mas lenta y más capacidad que la caché
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Memoria secundaria o de disco
Alta capacidad (GB o TB)
Tiempo de acceso: milisegundos (10^-6)
Discos duros del ordenador
En el caso de que la memoria principal sea
insuficiente, utiliza espacio de los discos
duros como apoyo (memoria virtual)
Soportes magnéticos
Dispositivos para el almacenamiento de
información
Consistentes en:
◦ Base de plástico
◦ Recubiertos por una capa magnética
◦ Sobre ella se sitúan las cabezas de escritura y
lectura
Soportes magnéticos
Las cabezas modifican la corriente
eléctrica de modo que la grabación se
produce gracias a pequeños puntos
magnetizados
Ejemplo: Discos duros
Disco Compacto (CD)
Soporte digital óptico
Almacena cualquier tipo de información:
◦ Audio
◦ Vídeo
◦ Documentos
◦ Otros datos
Capacidad: 740-750 MB
DVD
Formato de almacenamiento óptico
Puede ser utilizado para guardar datos como películas con alta calidad de vídeo y audio
Dimensiones físicas: similar al cd
Formato distinto y mayor densidad
Blu-Ray
Formato de disco óptico
Dimensiones = cd y dvd
Para vídeo de alta definición
Almacenamiento de datos de alta densidad
Capacidad: 50GB a 2 capas / 25 GB 1 capa
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Unidades de entrada y salida: Los
periféricos Dispositivos que se conectan al
ordenador y permiten almacenar y comunicar al ordenador con el mundo exterior
Tipos:
◦ Entrada
◦ Salida
◦ Almacenamiento
◦ Comunicaciones
Periféricos de entrada
Introducen datos externos en el ordenador
Ejemplos:
◦ Teclado
◦ Ratón
◦ Cámara web
◦ Escáner
◦ Micrófono
◦ etc.
Periféricos de salida
Reciben información que es procesada
por la CPU y la muestran al usuario
Ejemplo:
◦ Monitor
◦ Impresora
◦ Altavoces
◦ Auriculares
◦ Etc.
Periféricos de almacenamiento
Guardan datos para usos posteriores
Pueden ser:◦ Internos
◦ Externos
Ejemplos:◦ CD/DVD/Blu-Ray
◦ Discos duros
◦ Memoria Flash
◦ Etc.
Periféricos de comunicación
Facilitan la interacción entre dos o más ordenadores o un periférico externo.
Ejemplo:
◦ Tarjeta de red
◦ Tarjeta wireless
◦ Tarjeta de Bluetooth
◦ Controladores puertos
◦ Hub
◦ Etc.
¿Sabías que?
La memoria ROM se usa para grabar las rutinas de inicio, el POST y los programas de la BIOS
Rutinas de inicio: programas encargados de supervisar la puesta en marcha del ordenador
Se comprueban los periféricos instalados, sincronizando y poniendo en posición de inicio los chips del sistema
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¿Sabías que?
La BIOS busca y ejecuta las unidades de
disco duro, o de CD, archivos de arranque
del SO
Actualmente se están sustituyendo por
memorias flash regrabables aunque no
accesibles al usuario
¿Sabías que?
Sin las instrucciones de la BIOS no
podríamos cargar en la RAM la parte de
los ficheros que se necesitan para
arrancar el SO
Funcionamiento del ordenador
La ROM es básica en el proceso de arranque del ordenador
Cuando encendemos el ordenador, la fuente de alimentación da corriente a los componentes del sistema, incluyendo a la CPU
Esta envía una orden al chip de la memoria ROM de la BIOS
Funcionamiento del ordenador
Esto ejecuta las rutinas POST
(Autocomprobación diagnóstica de
encendido o programa de arranque)
El proceso continua ejecutando
instrucciones del SO y trasladándolas a la
RAM, apareciendo la primera pantalla
(Escritorio)
Funcionamiento del ordenador
Podremos ejecutar cualquier programa
Introducir datos utilizando los periféricos
de entrada
Cuando finaliza el proceso con los datos,
los resultados irán a un dispositivo de
salida o almacenamiento
Funcionamiento del ordenador
Concluida la sesión de trabajo,
desaparecen de la RAM y apagamos el
ordenador.
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El software del ordenador
Software: conjunto de programas,
instrucciones y reglas informáticas para
ejecutar ciertas tareas en una
computadora
Trabaja con datos, tiene una
documentación y se basa en la parte
lógica del ordenador
Clasificaciones del software
Basadas en tipo de trabajo que realiza
◦ De sistema
◦ De aplicación
◦ De programación
Basada en el método de distribución
◦ Shareware
◦ Freeware
◦ De uso específico
◦ Multimedia
Basado en el tipo de trabajo.
Software del sistema Permite que el hardware funciones
Programas que administran la parte física
y recursos
Interactúa entre el usuario y el hardware
Ejemplos: Sos, controladores, etc.
Basado en el tipo de trabajo.
Software de aplicación Programas que realizan tareas específicas
Posibilidad de automatización
Ejemplos:
◦ Ofimáticas
◦ Contabilidad
◦ Diseño asistido (CAD)
◦ etc.
Basado en el tipo de trabajo.
Software de programación Herramientas para escribir programas
informáticos
Entornos de desarrollo integrados (IDE)
◦ Agrupan estas herramientas bajo en un
entorno gráfico
Basado en el método de
distribución. Shareware Se puede evaluar de forma gratuita por un
tiempo especificado
Licencia mediante pago
Ejemplo: Winzip
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Basado en el método de
distribución. Freeware Se distribuye sin cargo
A veces se incluye el código fuente
Suele incluir licencia de uso que permite su
redistribución pero con algunas restricciones
Los programas de software libre no
necesariamente son freeware
Basado en el método de
distribución. multimedia Utilizados para presentar de forma
integrada textos, gráficos, sonidos y
animaciones
Ejemplo: Enciclopedias multimedia
Basado en el método de
distribución. Uso específico Se desarrolla especialmente para resolver
un problema determinado
Ejemplo: Gestión videoclub
Vocabulario
Un proceso o tarea es un instante de un
programa de ejecución
El sistema operativo
Controlan el funcionamiento del
hardware
Modo sencillo de acceso al ordenador
Coordinan y jerarquizan los procesos y
los periféricos
El sistema operativo
Está compuesto por un conjunto de
programas que se utilizan para gestionar
las acciones con el hardware:
◦ Núcleo o kernel
◦ Interprete de comandos o shell
◦ Sistema de archivos
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Núcleo o kernel
Representa las funciones básicas del sistema operativo
Se encarga de:
◦ La carga inicial
◦ Planificar el trabajo de la CPU
◦ Administrar periféricos
◦ Comunicación entre procesos
◦ Administrar memoria
◦ Administrar archivos
Interprete de comandos o shell
Posibilita la comunicación con el SO
Permite al usuario controlar periféricos
sin conocer las características del
hardware
Interface entre la CPU y el usuario
Sistema de archivos
Permite que los archivos se registren en
una estructura arbórea.
Funciones del sistema operativo
Dispone de una Interface
Reconoce componentes instalados
Administra la información
Maneja puertos de interrupción
Administra la memoria
Gestiona de manera eficiente los recursos
del sistema
Clasificación de los sistemas
operativos Respecto al modo de trabajo del usuario
◦ On line (o interactivos)
Útiles en entornos de desarrollo, procesamiento de
textos y ejecución de programas interactivos
◦ Off line (o batch o por lotes)
Una vez introducida una tarea, el usuario no tiene
contacto hasta que es finalizada
Clasificación de los sistemas
operativos Respecto al número de usuarios
◦ Monousuario
Se puede acceder mediante un único terminal
MS DOS, Windows 3.1
◦ Multiusuario
Varios usuarios pueden trabajar con la misma
máquina
Unix, Linux, XP, Vista, 7
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Clasificación de los sistemas
operativos Respecto al propósito
◦ Específico
◦ General
Clasificación de los sistemas
operativos Respecto al número de procesadores
◦ Multiprocesadores
Varios procesadores
No sincronizados
◦ Sistema distribuidos
Ordenadores conectados entre si
La ejecución de aplicaciones no depende de dónde
esté situado
Ejercicios
Test de repaso pág. 55
2, 4, 5, 7 y 8 pág. 56
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