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Estructura y componentes principales de un ordenador

SIST EMAS OPER AT IVOS Y APLICACIONES INFOR MÁT ICAS

PROGRAMACIÓN CON LENGUAJES ORIENTADOS A OBJETOS Y BASES DE DATOS RELACIONALES

ESTRUCTURA Y COMPONENTES PRINCIPALES DE UN ORDENADOR FEBRERO 2015

Índice

Concepto de ordenador

Revisión histórica de la evolución de los ordenadores

Arquitectura Von Neumann

El ordenador moderno

Representación de la información

El software


Concepto de ordenador

Ordenador: Es una máquina electrónica que recibe y procesa datos.

Se ha diseñado sin un propósito específico. El propósito dependerá del programa que la máquina ejecute en cada momento.

Un programa es un conjunto de instrucciones que son leídas, entendidas y ejecutadas por el computador.

Está constituida por dos partes esenciales que son

HARDWARE: Composición física (componentes)

SOFTWARE: Parte lógica (programas)


Sistema Operativo

Un programa a destacar debido a su especial importancia es el S.O.

El sistema operativo es el programa base del ordenador.

Es el primer programa que empieza a leer el ordenador al ser

Arrancado.

Es el último que deja de leer antes de apagarse.


Evolución histórica de los ordenadores

ANTECEDENTES:

- Blaise Pascal (1642) : Construyó la “pascalina”

- Leibniz (1670) : Consiguió una máquina para multiplicar

- Babbage (1834) : Máquina analítica de Babbage programable

por Ada Augusta Lovelace.


1ª GENERACIÓN (Válvulas de vacío)

TURING (Padre de la computación):

• Máquina de Turing

• Autómatas

• Máquina ENIGMA en la II Guerra Mundial Ordenador COLOSSUS (1943)


1ª GENERACIÓN (Válvulas de vacío)

ENIAC (1946)

• 18.000 válvulas de vacío

• 30 toneladas

EDVAC

UNIVAC (1951) : 1ª computadora comercial fabricada para un propósito no militar para la Oficina de Censos de EEUU.


JOHN VON NEUMANN (1903 – 1957)

contribuciones fundamentales en física cuántica, análisis funcional, teoría de conjuntos, teoría de juegos, ciencias de la computación, economía, análisis numérico, cibernética, hidrodinámica, estadística y muchos otros campos.

Describió lo que se conoce como ARQUITECTURA Von Newman, diseño basico de los ordenadores actuales con 5 partes básicas:

• Memoria

• unidad aritmetico-logica

• unidad de control

• subsistemas de entrada y salida


Siguientes generaciones de ordenadores

2ª Generación (Transistores)

• 1948 - John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley inventan el transistor en los laboratorios BELL. (Premio Nobel de Física en 1956)

• PDP-1 (120.000$)

• IBM fabrica la 7090 y la 7094



3ª Generación (Circuitos integrados)

• En 1958 Robert Noyce construye el circuito integrado de silicio que hace posible colocar docenas de transistores en un solo chip.

• IBM produce la gama de producto System 360 con varios programas en memoria.

• SSI, MSI



4ª y 5ª Generación (Integración a gran escala) (LSI, VLSI)

• Se produce la popularizacion del PC de IBM con procesador Intel 8088 y sistema operativo MS-DOS de Microsoft en 1981.

• Apple y Apple II, Commodore Amiga y Atari.

• Intel 80286: IBM PC/AT y PS/2

• 1985 – Intel 80386

• 1989 – Intel 80486 (8 K de memoria cache en el chip)

• Pentium, Pentium Pro, etc.


6ª Generación Situación actual

Circuitos integrados a escala nanométrica (ULSI y GLSI)


Arquitectura de Von Neumann Modelo teórico en el que se basan todos los ordenadores construidos

CPU:

• ALU: Realiza las operaciones aritméticas lógicas que le señala la instrucción residente en la unidad de control.

• UC: Dirige todas las actividades del ordenador, generándose señales de control para el resto de las unidades según el código de operación de la instrucción. • PC – Program Counter o (Contador de Programa) contiene la

dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. • IR: La instrucción en esa dir. de memoria, se almacena en el

Registro de Instrucción o IR

MEMORIA: Datos e instrucciones se almacenan en una única memoria de lectura/escritura. Los contenidos de esta memoria se direccionan indicando su posición sin considerar el tipo de dato almacenado en la misma.

Subsistema E/S:


Unidad Central de Proceso

Su función básica es leer el programa, interpretarlo y enviar las señales eléctricas oportunas hacia los demás dispositivos para ejecutarlo.

Esta formada por:

Unidad Central

Unidad Aritmético-lógica o ALU

Registros


Unidad Central de Proceso

La Unidad Central, decodifica la instrucción y la convierte en señales eléctricas.

La ALU se encarga de realizar los cálculos aritméticos y lógicos.

La función de los registros es almacenar datos fundamentales para el proceso de ejecución del programa

Instrucción

Estado

...


Memoria

En ella se aloja el programa.

En el programa están las instrucciones que queramos que haga el computador

Se divide electrónicamente en direcciones

Las instrucciones y los datos se alojan en direcciones de memoria.


Memoria

Cada dirección puede almacenar una instrucción o un dato.

Este programa se compone de tres instrucciones y dos datos adicionales.

En total ocupa 5 direcciones de memoria.


Memoria

La memoria posee dos registros importantes:

Un registro de direcciones donde escribir a que dirección queremos acceder

Un registro de datos donde escribiremos o leeremos datos según el modo de uso.

También posee una línea eléctrica donde indicamos el modo (escritura o lectura)


Modos de direccionamiento

Son diferentes modos de incluir datos en las instrucciones.

Inmediato: Cuando el dato va incrustado en la propia instrucción

Directo: Cuando en la instrucción viaja la dirección del dato, no el

dato mismo

Indirecto: Cuando en la instrucción viaja una dirección de memoria en la que está la verdadera dirección del dato


Ciclo de instrucción

Es el mecanismo por el cual la CPU lee una instrucción de la memoria y la decodifica para ejecutarla.

Modo de interacción entre el dispositivo que almacena las instrucciones (la memoria) y el dispositivo que las entiende (la CPU)


Ciclo de instrucción

1. La CPU pide a la memoria, escribiendo en su registro de direcciones la dirección marcada por el Registro Contador.

2. La memoria devuelve a la CPU el contenido de dicha dirección a través del bus.

3. La instrucción se almacena en el Registro de Instrucción durante su procesamiento.

4. Ahora se pedirán, de la misma manera los datos direccionados directa e indirectamente si los hay.

5. La Unidad Central decodifica la instrucción, usa a la ALU y ejecuta la instrucción.

6. La ALU incrementa el Registro Contador y vuelta a empezar.


Subsistema de E/S

Von Neumann lo pensó como un circuito electrónico aparte.

Sirve de interfaz entre el procesador y los periféricos.

Permite al procesador abstraerse de todo el funcionamiento de los periféricos y centrar la comunicación con la Unidad de E/S.


Buses

Son líneas eléctricas de comunicación.

Poseen diferentes parámetros de medición:

El ancho de bus es el total del líneas en paralelo de un bus

La frecuencia del bus es el número de impulsos soportados por el bus por unidad de tiempo


Periféricos

Todo dispositivo que no es la CPU o la memoria.

Permiten a la CPU comunicarse con el exterior recibiendo y mostrando datos.

Generalmente se distinguen:

De entrada

De salida

De entrada/salida


Periféricos. Parámetros

Fiabilidad

Modo de acceso (secuencial, directo)

Velocidad de transferencia

Buffering


Ejemplos de Arquitecturas Arquitectura de bus único: en la que todos los componentes del ordenador - unidad de control, unidad

aritmético lógica, memoria, etc...- intercambio datos compartiendo el bus. Es una arquitectura típica de los mini y micro-ordenadores.

Arquitectura distribuida: Sistemas multiprocesadores en los que las diferentes funciones del Sistema se encuentran distribuidos en procesadores especializados: de instrucciones, de cálculo, de direcciones, etc....Por lo general se trata de distintas máquinas no necesariamente homogéneas que se comportan como un único sistema.

Arquitectura paralela: varios procesadores idénticos trabajan en paralelo. Existen diferentes tipos: SISD (Single lnstrucction Single Data), SIMD (Single lnstruction Multiple, Data), MISD (Multiple Instruction Multiple Data) y MIMD (Multiple lnstruction Multiple Data).

Arquitectura “Pipeline2: la ejecución de una instrucción se divide en fases. Existen componentes especializados dentro del procesador para la ejecución de cada una de las fases.

Arquitectura “Fault Tolerant”: es la arquitectura en la que existe suficiente redundancia y, por tanto, permite asegurar un funcionamiento correcto del Sistema aún en caso de fallo de algunos de sus elementos.

NUMA es el acrónimo de Non-Uniform Memory Access. Es un tipo de arquitectura de proceso paralelo en el cual cada procesador tiene su propia memoria local y además puede acceder a las memorias de otros procesadores. Se llama no uniforme porque los accesos a memoria son más rápidos cuando el procesador accede a su propia memoria que cuando accede a otras. NUMA combina la escalabilidad de MPP con la facilidad de programación de SMP.


Proyecto: 15 ordenadores

Sois consultores de ventas de ordenadores.

Se trata de ofrecer a vuestro cliente un presupuesto con 3 opciones distintas (Gama alta, media y baja) para la equipación de 15 puestos informáticos para:

1) Centro de atención a usuarios

2) Desarrolladores de aplicaciones de Banca

3) Desarrolladores de aplicaciones Web

4) Desarrolladores de videojuegos


El ordenador personal

Fuente de alimentación

Placa base o placa madre:

• Chip de memoria BIOS

• Procesador, buses y circuitería básica

• Memoria principal

• Puertos de expansión internos y externos

Unidades de almacenamiento

Periféricos


Fuente de alimentación

Su función es convertir la corriente alterna de la red eléctrica a corriente continua

La potencia interna suministrada es un parámetro a tener en cuenta

Dependerá del número de circuitos (extra) que tengamos instalados y de su consumo (tarjetas, discos, etc.)

Suele disponer de uno o varios ventiladores de uso exclusivo

El calor disipado y el ruido producido depende de lo cargada que trabaje la fuente. Cuanto más cerca esté la demanda de potencia del límite de la fuente mayor es la carga


Placa base

Es un circuito impreso en el que se conectan los componentes de un computador

También encontramos impresos los buses para la conectividad de dichos componentes

En el PC, dada su naturaleza modular, los conectores suelen tener la forma de zócalos de plástico para evitar el uso de soldaduras

Hoy en día, gran parte de los componentes básicos (red, gráfica, sonido, etc.) de un PC vienen de serie integrados e impresos en la propia placa base


MICROPROCESADOR

Es el elemento que realiza el trabajo de computo de cualquier computador

Se encuentra soldado o enganchado en zócalo a la placa base

En el PC encontramos procesadores de 64 bits y todavía de 32 bits (ancho del bus de direcciones)

Existen multitud de arquitecturas fuera del mercado del PC: ARM, PowerPC, Alpha, DEC, etc.

Pueden clasificarse de muchas formas. Se suelen agrupar en dos grandes grupos RISC y CISC


MICROPROCESADOR

Conectado a un slot (longitudinal) o zócalo (cuadrangular) INTEL y AMD. Placas no valen indistintamente el mismo zócalo para los diferentes micros de Intel o AMD. Intel ha patentado las patillas de su placa para Intel (más caro).

Unidad de Control, ALU de enteros, ALU de reales.

Solución convencional 32 bits. 32 bits de datos y 64 bits de direcciones.

Arquitecturas mejoradas de 64 bits.

Reloj


Arquitecturas CISC y RISC

CISC (Complex Instruction Set Computer):

Ofrece muchas instrucciones de Lenguaje maquina. Cada instrucción con varios formatos. Muchos modos de direccionamiento. Se resuelve la complejidad de la unidad de control por sw. UC microprogramada.

RISC (Reduced instruction Set Computer)

Pocas instrucciones. Pocos formatos de instrucciones. Pocos direccionamientos, a ser posible 1: directo. UC cableada (hw). Más caro


CISC vs RISC Hw siempre es mas rápido que Sw. Es más caro. No tiene limite (sólo añadir

mas registros)

CISC es finito. Mas instrucciones significa menor rendimiento. Acceso a memoria implica una latencia. Pero es compatible hacia atrás.

La tendencia es hacer maquinas mixtas RISC con núcleo CISC de forma que sean compatibles.

Procesadores de 64 bits ITANIUM2 de Intel es RISC y EPIC (Explicit Parallel Instruction Computing) procesamiento paralelo. No incorpora emulación del los programas de 32 bits.

Opteron y Athlon de AMD son CISC y si incorporan emulación de app de 32 bits. Capacidad de multiprocesamiento simétrico o Symmetric Multiprocessing (SMP).


CISC vs RISC


MEMORIA

Jerarquía de memoria:

• Registros de memoria

• Memorias cache

• Memoria principal (RAM)

• Disco duro (S.O. Mem. Virtual)

• Sistemas de Backup


TIPOS DE MEMORIAS SRAM (Static) : Nunca necesitan refresco. Rápidas. Alto coste. (CACHE’s) Cache L1 mas pequeña y rapida. L2 : mas grande y mas lenta. CPU basada en microprocesador incluye memorias distintas a la de los

registros (Cache) Celeron mas barato porque reduce cache.

DRAM (Dynamic): Es necesario un refresco, que implica una latencia. Son mas lentas y mas baratas. (

SDRAM – (Synchronous Dinamic RAM) es un tipo de memoria que opera de manera síncrona con el bus de memoria, empleando la misma señal del reloj, con tiempos de acceso entre 8 y 12 nano segundos. Los módulos DIMM de memoria SDRAM pueden funcionar a una frecuencia de 133 Mhz la actual del bus del sistema.

SDRAM DDR-Double Data Rate: Tasa de datos doble. Freq. 1.6 GHz

SDRAM DDR2 – Cuadruplica el nº de operaciones por pulso. 3.2 GHz

La frecuencia de la memoria no puede ser mayor ni igual a la frecuencia del micro. Debe ser lo mas ajustado por debajo.


TIPOS DE MEMORIAS

Las memorias están agrupadas en módulos (según la tecnología):

SIMM (Single Inline Memory Module)

DIMM (Dual Inline Memory Module)

• DIMM-SDR

• DIMM-DDR

• DIMM-DDR2

• DIMM-DDR3

GDDR (Gráficos)

SO-DIMM


MEMORIA


TIPOS DE MEMORIAS

XPROM (Bios)

EPROM

EEPROM o Flash


SUBSISTEMA E/S

ISA, EISA, VESA: (8 / 16 / 32 hilos o contactos)

Primero históricamente. No incluye reconocimiento de periféricos. Se da entrada a los puertos Serie (COM1, COM2, ...) y puerto paralelo (LPT1, …)

PCI: Peripheral Component Interconnect. (1.0 / 2.0 / PCI-x / PCI Express) (64 a 128 contactos)

Bus de ancho de banda elevado. Mejor tasa de transferencia. Solución mas rápida. (3 Gbit/seg PCI Express) (Tarjetas graficas por PCI Express)

Auto detecta el periférico. No lo configura.

Se integran soluciones de almacenamiento magnetico: IDE, EIDE o SCSI.

Bus local de 32 bits. Transferencia de 133 Mbits/s a una frecuencia de 33,3 Mhz.


Interfaz de almacenamiento magnético IDE / EIDE: Ámbito de usuario domestico.

ATA/100, ATA/133 o UltraDMN100 y UltraDMN133, respectivamente. Tasa de transferencia

de datos teórica de 100 y 133 MB/seg P-ATA: Acceso a disco paralelo. Esquema de conexión Master/Slave cada uno con un

dispositivo primario y uno secundario. Permite conectar como máximo 4 periféricos. Se priorizan los accesos al medio para enviar o recibir datos.

Serial ATA: Conexión directa. Conexión serie (4 hilos). Es mas rápido que p-ata pq no hace falta priorizar. La conexión es directa. 2 periféricos. 1 hilo tensión, 2 hilos de dispositivos (datos) y 1 para la toma de tierra. Lectura en dos hilos porque es balanceada o doblemente balanceada (4 hilos).

Ambas soluciones pueden coexistir en una misma placa. s-ata especializada en discos. p-ata discos o lectores de cd, dvd, etc. SSD (Solid State Disk) : e-SATA: (External). Conexión de dispositivos de almacenamiento magnético externos o

portátiles.


ALMACENAMIENTO SECUNDARIO


DISCOS RIGIDOS Plato: cada uno de los discos que hay dentro de la unidad de disco

duro.

Cara: cada uno de los dos lados de un plato.

Cabezal: número de cabeza o cabezal por cada cara.

Pista: una circunferencia dentro de una cara; la pista cero (0) está en el borde exterior.

Cilindro: conjunto de varias pistas; son todas las circunferencias que están alineadas verticalmente (una de cada cara).

Sector : el estándar actual 512 bytes,

Sector geométrico: son los sectores contiguos pero de pistas diferentes.

Clúster: es un conjunto de sectores. (A) una pista (roja), (B) un sector geométrico (azul), (C) un sector de una pista (magenta), (D) y un grupo de sectores o clúster(verde).

http://es.wikipedia.org/wiki/Sector_(inform%C3%A1tica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Cl%C3%BAster_(sistema_de_archivos)


DISCOS SSD

Es un dispositivo electrónico formado por transistores (puertas lógicas)

Al no tener componentes mecánicos son más rápidos, sin ruido y no

sufren con vibraciones o golpes

Utilizados como memoria no volátil, aunque requieren cierto refresco

Las unidades de estado sólido (SSD) se basan en tecnología Flash


DISCOS SSD


Interfaz de almacenamiento magnético SCSI: Ambito de usuario profesional o de entorno de servidor. Alta tolerancia a fallos. Medido por un alto mtbf (meantime between failure).

Los valores de este parámetro para las soluciones de almacenamiento magnético

son (de mayor a menor): SCSI > S-ATA > P-ATA.

Redundancia con una solución RAID. Array de discos de forma que si se cae uno

funciona el resto. Se conecta de forma paralela.

Distintas versiones de SCSI –

Actualmente UW-SCSI (Ultra Wide SCSI) o SCSI 3.

Tasas de transferencia UW-SCSI > S-ATA > P-ATA

El coste UW-SCSI > S-ATA > P-ATA

Capacidad de almacenamiento UW-SCSI > S-ATA > P-ATA

Conexión en cadena o chain. Primer conector dará tiempos mas bajos porque está

mas cerca del procesador.


E/S

Bus AGP (Puerto de Gráficos acelerado)

USB (Universal Serie Bus)

• 1.0 – Tasa de transferencia hasta 1,5 Mbit/s

• 1.1 – 12 Mbit/s

• 2.0 – 480 Mbit/s

• 3.0 – 4,8 Gbit/s


TENDENCIAS

Virtualización

Computación en la nube (Cloud computing)

Grid Computing

SaaS

Big Data (IBM)


Nuevas tendencias CLUSTERING: Máquinas con infraestructura de red local. Un cluster está compuesto por dos o más

ordenadores conectados de tal manera que se comportan como una única máquina. Se utiliza la técnica de clustering para el procesado paralelo, el balanceo de carga, y la tolerancia a fallos. El clustering es una técnica popular en las aplicaciones de procesado paralelo porque permite a las compañías amortizar la inversión hecha en PCs y estaciones de trabajo. Además, es relativamente fácil añadir nuevas CPUs, simplemente incorporando un nuevo PC a la red.

GRID-COMPUTING: Máquinas con infraestructura de red de Area Extensa (Fase Experimental). El grid computing es un tipo de red informática. A diferencia de las redes convencionales dirigidas a una comunicación entre diversos dispositivos, grid computing utiliza los ciclos de proceso no utilizados de los diversos ordenadores que forman la red para resolver problemas demasiado complejos para ser resueltos por una sola máquina. Una definición más formal de grid computing es: la coordinación de recursos compartidos y la resolución de problemas en organizaciones virtuales dinámicas y multi-institucionales. Un conjunto de individuos y/o instituciones implicadas por dichas reglas de compartición recibe el nombre de Organización Virtual (Virtual Organization, o VO).

Un proyecto conocido de grid computing es SETI@Home (Search for Extraterrestrial Intelligence at Home), en el cual los PC de usuarios distribuidos a lo largo y ancho del mundo donan los ciclos de sus procesadores no utilizados, empleando Internet como red de conexión, para ayudar a la búsqueda de signos de vida extraterrestre analizando las señales provenientes del espacio exterior.

El grid computing requiere un software especial único para cada proyecto.


Unidades y equivalencias

1 KB (Kilobyte) = 2E10 bytes (1024 bytes) 1 PB (Petabyte) = 2E10 TB

1 MB (Megabyte) = 2E10 KB 1 EB (Exabyte) = 2E10 PB

1 GB (Gigabyte) = 2E10 MB = 2E20 KB 1 ZB (Zettabyte) = 2E10 EB

1 TB (Terabyte) = 2E10 GB 1 YB (Yottabyte) = 2E10 ZB

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