Introducci

1
Configuración de un sistema de cómputo

• Introducción a las ciencias de la computación
• Antonio López Jaimes

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD
IZTAPALAPA
2
Plan de la presentación

• El procesador central
• La memoria central
• Unidades de entrada y salida
• Unidades de memoria auxiliar

3
Organización de la presentación

• El procesador central
• La memoria central
• Unidades de entrada y salida
• Unidades de memoria auxiliar

4
La unidad central de procesamiento

• La unidad central de procesamiento (UCP) está
  formada por la unidad de control y la unidad
  aritmética y lógica. Sus funciones principales
  incluyen
• Decodificar y ejecutar instrucciones.
• Leer y escribir contenidos de las celdas de
  memoria.
• Llevar y traer datos entre la memoria y sus
  registros especiales.

5
Un procesador real AMD
AMD 486 DX
6
Un procesador real Pentium
Pentium extreme edition (P IV)
7
Organización de la computadora

• Una computadora está organizada de manera
  jerárquica. Es decir, distribuye sus tareas entre
  varios subsistemas.
• Cada subsistema se encarga de realizar un
  servicio o función específica. Por ejemplo
• Leer un caracter desde el teclado.
• Desplegar texto en la pantalla.
• Leer o escribir al disco.
• Crear o borrar un archivo.
• Obtener la fecha del sistema.
• Cargar un programa en memoria.

8
Interrupciones

• Cada subsistema solicita el inicio y el fin de
  sus actividades mediante interrrupciones.
• Cuando un subsistema solicita ser atendido se
  produce una señal de interrupción.
• La interrupción provoca que el programa en
  ejecución se suspenda temporalmente y que el
  flujo de ejecución se desvíe hacia hacia el
  procedimiento que atiende esa interrupción.
• Una vez que el subsistema termina su tarea manda
  otra señal de interrupción para que el programa
  suspedido sea reanudado.

9
Velocidad del procesador

• La velocidad de operación de un procesador está
  gobernada por un reloj central, que indica cuando
  se debe ejecutar una instrucción.
• El reloj central envía pulsos períodicamente con
  una frecuencia medida en MHz (millones de ciclos
  por segundo).
• Cada instrucción necesita varios ciclos de reloj
  para ejecutar los micropasos que requiere cada
  una.

Reloj central
UCP
10
MIPS

• Los millones de instrucciones por segundo (MIPS
  Million Instructions per Second) se refieren a
  la cantidad de instrucciones de lenguaje máquina
  ejecutadas en un segundo.
• Puesto que no todas las instrucciones necesitan
  el mismo número de ciclos de reloj, la medida en
  MIPS fluctúa grandemente según el tipo de
  operaciones realizadas.

11
FLOPS

• Otra medida son los FLOPS (Floating-Point
  Operations per Second), que se refiere a la
  cantidad de operaciones aritméticas de punto
  flotante que se ejecutan en un segundo.

12
La unidad aritmética y lógica

• La unidad aritmética y lógica (UAL) se encarga de
  realizar la operaciones relacionadas con cálculos
  numéricos y simbólicos.
• Usualmente, una UAL sólo realiza un conjunto
  reducido de operaciones muy elementales.
• Sus operaciones incluyen la suma, resta,
  multiplicación y división, así como modificar el
  contenido de sus registros mediante operaciones
  lógicas (AND ?, OR ?, NOT ?), y comparación de
  dos registros (?, lt, gt, ?, ?, ltgt).

13
Bibliotecas de funciones matemáticas

• Para realizar operaciones más complejas (xn, sen
  x, cos x, log x, etc.) con un procesador se
  necesitan programas especiales en lenguaje
  máquina que utilizan las operaciones elementales
  de la UAL.
• Estos programas se incluyen en bibliotecas de
  programas proporcionadas al usuario.
• La ejecución de estas operaciones tarda mucho más
  que si se efectuaran por medio de circuitos
  dentro de la UAL.

14
Coprocesadores matemáticos

• Los coprocesadores matemáticos o unidades de
  punto flotante realizan operaciones complejas
  (xn, sen x, cos x, log x) por medio de hardware
  (circuitos electrónicos especializados).
• Cuando el procesador central detecta una
  operación compleja deja el control al
  coprocesador. Cuando el coprocesador termina,
  devuelve el control al procesador central.

15
Arquitectura RISC

• Cada nueva instrucción implica la incorporación
  de nuevos circuitos especializados y miles de
  nuevos microtransistores, por lo que la
  complejidad del procesador aumenta.
• Hace años surgió la tendencia en hacer
  procesadores más sencillos pero más rápidos, lo
  cual dio pie a la creación de la arquitectura
  RISC (Reduced Instruction Set Computer).

16
Tamaño de palabra

• La cantidad de bits que puede manejar a la vez un
  procesador se conoce como tamaño de palabra.
• La potencia de cálculo de un procesador se
  determina por el tamaño de palabra un procesador
  tiene mayor flexibilidad y velocidad de operación
  con respecto a un procesador con menor tamaño de
  palabra.
• Los procesadores de una PC suelen tener
  procesadores de 32 bits y las máquina grandes de
  64 o 128 bits.

17
Organización de la presentación

• El procesador central
• Mejoras al modelo de von Neuman
• La memoria central
• Unidades de entrada y salida
• Unidades de memoria auxiliar

18
Encadenamiento

• En un procesador tradicional, solamente se
  ejecuta un micropaso de una instrucción cada
  ciclo de reloj. Por ejemplo

Ciclos de reloj
I
II
III
IV
Se completa 1 intrucción cada 4 ciclos
El hardware dedicado para realizar alguno de los
pasos (I, II, III, IV) permanece ocioso cuando
no se ocupa.
19
Encadenamiento

• En un procesador con encadenamiento (pipelining)
  se ejecutan secciones independientes de varias
  intrucciones a la vez. Es decir, varios
  micropasos simultáneamente.

Ciclos de reloj
Instrucción 1
1 intrucción completada en 4 ciclos
2 intrucciones completadas en 5 ciclos
3 intrucciones completadas en 6 ciclos
Instrucción 2
Instrucción 3
20
Organización de la presentación

• El procesador central
• La memoria central
• Unidades de entrada y salida
• Unidades de memoria auxiliar

21
La memoria central

• La memoria es un conjunto de celdas
  direccionables en donde se almacenan datos y
  programas mientras la computadora está encendida.
• La memoria RAM es volátil ya que se pierde la
  información cuando se interrumpe la corriente
  eléctrica.
• La memoria central recibe el nombre genérico de
  memoria de acceso aleatorio (RAM Random Access
  Memory)
• Esto significa que cuesta el mismo trabajo
  llegar, por ejemplo, a la celda 1 que a la 182
  000 pues cada acceso es independiente de la celda
  visitada anteriormente.

22
La memoria central
23
Velocidad de la memoria

• La velocidad de acceso a la memoria mide el
  tiempo transcurrido a partir de que el procesador
  pide la información de una celda hasta que puede
  ser leída.
• La velocidad del procesador es mayor que la
  velocidad de acceso a la memoria. En ocasiones el
  procesador debe esperar durante 1 o más ciclos de
  reloj para obtener el dato de la memoria (Cuello
  de botella de von Neumann).

24
Memoria caché

• Para contrarrestar la diferencia de velocidades
  entre la memoria y el procesador, se creó una
  memoria pequeña de alta velocidad llamada caché
  (sombra en francés).
• Esta memoria se encuentra dentro o cerca de la
  UCP.
• En la memoria caché se depositan de antemano una
  copia de las instrucciones siguientes a ejecutar,
  evitando la pérdida de tiempo de lectura a la
  memoria central.

25
Memoria caché
UCP
Memoria central (RAM)
1244
1246
Memoria caché
1248
Bloque de intrucciones
1250
1251
1252
26
Memoria ROM

• La desventaja de la memoria RAM es que se pierde
  la información almacenada cuando se interrumpe la
  alimentación eléctrica (i.e., la RAM es volátil).
• Por esta razón, se diseñó una memoria no volátil
  llamada ROM (Read Only Memory).
• La memoria ROM puede verse como un conjunto
  bidimensional de cables paralelos que se cruzan,
  pero no se tocan.

27
Memoria ROM
0
L e c t u r a
0
0
0
0
1
1
1
1
1
Escritura
Por las líneas verticales se alimenta corriente
elétrica (1 lógico). Puesto que los cables no se
tocan, la líneas horizontales no reciben
corriente (0 lógico).
28
Memoria ROM
0
L e c t u r a
1
Se lee el Binario 01101
1
0
1
1
1
1
1
1
Escritura
Para grabar datos se interconectan los cables en
ciertos cruces, de manera que el mensaje aparezca
en los cables horizontales.
29
Memoria ROM
30
Memoria ROM

• La memoria ROM está fabricada con circuitos
  integrados y su contenido no se puede borrar.
• Un programa objeto se puede almacenar
  permanentemente en un circuito integrado. Basta
  con alimentar de corriente para obtener la
  información y cargarlo a la memoria RAM.
• La desventeja de la memoria ROM es que tienen que
  ser grabadas por el fabricante y no por el
  programador.
• El código que se puede grabar en una memoria ROM
  es conocido como reentrante o puro.

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Tipos de ROM

• PROM (Programable Read Only). Pueden ser
  programadas, sólo una vez, por un dipositivo
  especial llamado programador de PROM.
• EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory).
  Es posible reprogramarla cierto número de veces.
  Se puede borrar si se expone a luz ultravioleta.
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read
  Only Memory). También es reprogramable. Se borra
  eléctricamente dentro de la computadora.
• NVRAM (Non-volatil RAM). Variante de la EEPROM
  que puede ser escrita o borrada más fácilmente.

La memoria se desgasta y se vuelve inservible
tras varias exposiciones a la luz UV.
32
Memoria EPROM
La ventanita transparente permite que entre la
luz ultravioleta durante el proceso de borrado.
33
Ejemplos de memorias NVRAM
34
Organización de la presentación

• El procesador central
• La memoria central
• Unidades de entrada y salida
• Unidades de memoria auxiliar

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Unidades de entrada salida

• El procesador intercambia datos con el exterior
  por medio de interfaces de entrada/salida.
• Ejemplos

Entrada Salida
Teclado Monitor
Mouse Impresora
Disco Disco
Lectora de tarjetas
El singular es interfaz y no interface, palabra
que no existe.
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Puerto de entrada

• La unidad de entrada se comunica con el exterior
  por medio de un registro de pocos bytes llamado
  puerto de entrada.
• Cada vez que se oprime una tecla, se debe
  interrumpir a la UCP para que ejecute un programa
  especial (rutina de manejo de interrupción) que
  lleva el byte del puerto de entrada a la memoria
  RAM.
• Si no se ejecuta el programa el siguiente
  caracter que llegue al puerto de entrada
  reemplazará al que está actualmente.

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BIOS

• El sistema básico de entrada/salida (BIOS, Basic
  Input-Output System) es un programa especial para
  manejo de entradas y salidas grabado en una
  memoria ROM.
• Al encender la computadora el BIOS se copia de la
  memoria ROM a la memoria RAM para ejecutarse.

38
Ejemplos de dispositivos de salida

• Impresora de margarita. Impresoras lentas, ya
  en desuso, que imprimían una hoja en dos minutos.

La margarita giraba hasta la letra deseada, y
después era golpeada por un martillo para
presionar una cinta con tinta.
39
Ejemplos de dispositivos de salida

• Impresora de matriz. Generan los caracteres
  mediante un conjunto de puntos. Imprimía una hoja
  en 30 segundos.

40
Ejemplos de dispositivos de salida

• Impresoras
• Inyección de tinta Una cabeza impresora recorre
  el papel inyectando pequeñas gotas de tinta en el
  papel.
• Láser utilizan un mecanismo parecido al de las
  fotocopiadoras, pero usa un rayo láser.

41
Ejemplos de dispositivos de salida

• Graficadores (plotters). Producen gráficas y
  dibujos mediante plumas que desplazan por el
  papel.

42
Ejemplos de dispositivos de salida

• CAD (Computer Aided Design). Terminales de video
  que permiten diseñar planos o diagramas 3-D
  mediante programas especiales.

43
Ejemplos de dispositivos de entrada

• OCR (Optical Character Recognition). Software
  dedicado al reconocimiento óptico de caracteres.
• Digitalizadores (escanners). Un digitalizador es
  un aparato para digitalizar imágenes (i.e.,
  codificarlas en bits) y guardarlas en memoria.

44
Organización de la presentación

• El procesador central
• La memoria central
• Unidades de entrada y salida
• Unidades de memoria auxiliar

45
Memoria auxiliar

• Puesto que la memoria central es volátil, es
  necesario utilizar medios secundarios para
  almacenar permanentemente los datos de manera
  económica.
• Estos medios secundarios de almacenamiento
  reciben el nombre de memoria auxiliar, periférica
  o secundaria.

46
Archivo

• A un conjunto de datos almacenados de manera
  binaria en la memoria auxiliar se le da el nombre
  de archivo.
• Un archivo está formado por registros que pueden
  contener datos o programas.

47
Almacenamiento secuencial y directo

• Existen dos tipos de periféricos según la forma
  de grabar datos
• Secuenciales para leer o escribir un registro es
  necesario recorrer los anteriores.
• Directos lee o escribe cualquier registro sin
  importar el orden previo de lectura o escritura.

48
Almacenamiento secuencialcintas magnéticas

• En la cintas magnéticas la información se lee y
  se graba de manera secuencial.
• Solamente se puede leer, por ejemplo, el registro
  10 después de haber leído los 9 primeros.
• La cintas se utilizan para hacer respaldos de los
  discos fijos.
• La cinta se divide en varias pistas o canales que
  le permiten almacenar varios cientos de MB.

49
Cintas mágneticas
50
Cintas magnéticas

• El formato de los cartuchos contiene un bit de
  paridad para detectar errores y verificar la
  consistencia de los datos.
• Existen dos tipos de paridad par e impar.
• Paridad par. El último bit se pone a 1 si hay un
  número impar de 1s.
• Ejem 101001111, 101101110
• Paridad impar. El último bit se pone a 1 si hay
  un número par de 1s.
• Ejem 101001110, 101101111

51
Almacenamiento directo discos magnéticas

• En estas unidades la información se lee y se
  escribe de manera directa sobre la superficie del
  disco.
• Hay dos variantes de este tipo de discos
• discos rígidos o duros (hard disk) que no se
  puede mover de la computadora, y
• discos flexibles removibles (diskettes).

52
Discos duros

• Un disco duro consite de uno o más platos con
  superficies magnéticas.

53
Discos duros

• Para cada uno de los platos hay una cabeza
  lectora/escritora, montada en un brazo que puede
  alejarse a acercarse al centro del disco.

54
Disco duro
Para almacenar datos, cada superficie se divide
en pistas.
Un cilindro es el conjunto vertical de todas las
pistas en la misma posición relativa sobre el
plato.
Las pistas a su vez se dividen en sectores.
55
Tabla de asignación de archivos

• Tanto en los discos duros como en los flexibles,
  se necesita espacio para almacenar el directorio
  de archivos que contiene información sobre los
  archivos.
• En este directorio se almacena para cada archivo

• Nombre del archivo
• Tipo de archivo
• Dirección de comienzo
• Tamaño usado
• Tamaño asignado

• Propietario
• Acciones permitidas
• Fecha de creación
• Fecha de última modificación

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Desempeño del disco duro

• Para determinar el desempeño de un disco se toman
  en cuenta dos cosas
• Tiempo de acceso. El tiempo que tarda el brazo en
  moverse entre pista y pista.
• Tiempo de latencia. El tiempo que toma localizar
  una sección del disco.

57
Disco flexible

• Al igual que los discos duros, los discos
  flexibles también son dividos en pistas y
  sectores.
• En los discos duros la cabeza lectora/escritora
  flota por encima del plato, mientras que los
  discos flexibles la cabeza se apoya en la
  superficie del disco.

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Memorias ópticas

• CD (Disco compacto). Es un disco que no se puede
  borrar y que almacena información de audio
  digitalizada. Los discos son de 12 cm y puede
  almacenar más de 60 min de audio.
• CD-ROM (Memoria de sólo lectura en disco
  compacto). Un disco que no se puede borrar y
  almacena datos de la computadora. Almacena más de
  650 MB.

59
Memorias ópticas

• CD-R (CD Grabable). Similar al CD-ROM, pero el
  usuario puede escribir en el disco solamente una
  vez.
• CD-RW (CD Regrabable). Similar al CD-ROM, pero el
  usuario puede borrar y escribir en el disco hasta
  1000 veces apróximadamente.

60
Memorias ópticas

• DVD (Disco Versatil Digital). Reproduce video
  digital comprimido.
• DVD-R (DVD Grabable). Similar al DVD-ROM. El
  usuario puede escribir en el disco sólo una vez.
• DVD-RW (DVD Regrabable). El usuario puede borrar
  y escribir en el disco hasta 1000 veces.