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PED1ConceptosPreliminaresIng. Josefina Cano, Oscar Jara, Daniel IturryUniversidad Nacional de Asuncion

2013

La inserción de la tecnología, en el mundocotidiano, trajo consigo muchos cambiosen el modo de enfocar las tareas cotid-

ianas, laborales, como así los procesos pararesolver problemas.Es así también importante destacar que losavances tecnológicos hoy en día, son tan rápi-dos que los enfoques de implementación y lacomprensión de los sistemas se hace una tareade constante aprendizaje.De ahí la importancia de comprender losdiferentes sistemas modernos para el proce-samientos de datos, como tambíen las redesde dichos sistemas, que hoy en día nos pro-porcionan una herramienta de conocimientocolectivo y constante desarrollo.

1 Conceptos Preliminares

En el mundo de la tecnología hoy en día, dados losavances, tanto en los sistemas de procesamiento comoen las redes que interconectan diferentes sistemas,surgen algunos fenómenos paradigmáticos, como elajuste de algunos conceptos que se adaptan a larealidad tecnológica.Pero el concepto madre que prima a dichos sistemasy los define por esa característica o cualidad nuncasufrirá variación, pues es de característica axiomáticay fundamental.Para poder estudiar dichos sistemas es necesariopoder diferenciar la idea de Datos e Información:

Dato: Es un atributo, elemento o carac-terística que puede ser representado bajodiferentes modos, y estos están asociadosa fenómenos, hechos o sistemas.

De esta manera el dato en si mismo no representanada mas que algún tipo de atributo, y en si mismoes un elemento inerte carente de algún significado.No esta demás mencionar que en el mundo de latecnología, se solía definir a los datos como "todo loque no es VOZ", pero actualmente hay una discusióndel tema, pues la capacidad de las redes hoy en díay en general de los sistemas informáticos, permitentransformar la voz en bloques de bits, y estos enpaquetes para ser transmitidos. Por lo que la vozhoy en día puede ser considerado en el mundo de lainformática y tecnología como un dato.

Figure 1: Procesamiento de datos

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Información: Es el resultado obtenido de-spues que un conjunto de datos, pasan poralgun tipo de prosesamiento y son trans-formados en información.

Como indica la Figura 1, los datos tras pasar algúntipo de proceso, sea el mas mínimo se transformaen información, dichos procesos pueden ser, orde-namiento, clasificación, cálculos, almacenamiento,asociaciones. Lo que hace hoy en día al proce-samiento de datos es que de los mas simples procesosa los mas complicados, son fácilmente realizados oconfigurados para que una computadora o de maneramas apropiada y como denominaremos en el restodel curso Sistema de Computo, pueda realizarlos.Los datos tambien cuentan de sus propios datos, estasub clasificacion es comun enocontrar en el mundodigital, y se lo define de la siguiente manera:

Metadatos: Son los datos de los datos,estos conforman los atributos particularesde datos.

Los metadatos entonces representam ese conjunto deatributos especiales de los que cuentan los datos, amodo de ejemplo, las fotografias ya sean digitales oanalogicas cuantan con un conjunto de metadatos queson: ISO, Apertura, Titempo de exposicion, el cualdefinen las caracteristicas especiales de la fotografiaen si cuando esta fue tomada.

Figure 2: Procesamiento de datos

Otro concepto importante que surge, directamenterelacionado a los porcesos que analizan los datos ydan como respuesta resultados, son los problemascomputables. Asi podemos encontrar a grandes ras-gos dos tipos de problemas los "Computables" y los"No Computables", que básicamente son problemasque con la algoritmia conocida y manejada en lossistemas de cómputos actuales no se pueden re-solver. Pero para poder entender este problema esnecesario conocer los sistemas de cómputos actuales.

2 Sistemas de Computos

Los sistemas de cómputos, como los conocemos hoyen día, han sufrido una notable evolución desde suconcepción, pero todos ellos están primados de unconcepto, y un esquema funcional que los define,como así identifica sus partes funcionales.

Sistema de Cómputo: Es un sistemaelectrónico capaz de procesar un conjuntode datos a partir de una serie de rutinasprecargadas, y la capacidad de respondercon una salida.

Asi un sistema de computo es realmente un conjuntode subsistemas electrónicos que tienen la capacidadde ejecutar rutinas con el fin de procesar una serie dedatos que se les proveyó por medio de algún disposi-tivo de entrada y así proporcionar una salida. Lascaracterísticas de los sistemas de computo son:

• Ejecuta rutinas precargadas.

• Su ejecución puede ser secuencial, por lotes opor interrupciones.

• Resibe datos o variables de entrada mediantealgún tipo de interfase.

• Proporciona múltiples tipos de salida dependi-endo de la particularidad del Sistema de Com-puto.

• Pueden ser sistemas modulares o de arquitecturacerrada.

• De acuerdo al área de trabajo los sistemas decomputo pueden ser ínter operables entre marcaso sistemas embebidos.

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2.1 Clasificacion

Existen muchas formas de clasificar los sistemas decomputo, pero a nivel de tecnología y desarrollo lamanera principal de clasificarlas es:

• De Propósito General (Comerciales): Sonnormalmente los sistemas comerciales, dichossistemas tienen la capacidad de ejecutar múlti-ples aplicaciones, y para hacerlo solo necesitanel juego de sentencias necesarias, pues a nivelelectrónico, la maquina esta preparada para eje-cutarlas.Este tipo de maquinas normalmente realizan sustareas con un relativo rendimiento, pero no sue-len ser lo mas eficientes. Su gran ventaja radicaen el nivel de modularidad que estas tienen parapoder usarlas en múltiples aplicaciones.

• De Propósito Específico (Embebidas):Dichas máquinas normalmente son de arquitec-tura cerrada y están diseñadas para desarrollartareas especificas, y el conjunto de instruccionesque maneja, son especialmente para esa apli-cación, normalmente no son modulares, y nocuentan con la capacidad de la inter operabilidadentre fabricantes, y pocas veces son escalables.

De esta clasificación, de modo particular el curso seevocara en las maquinas de porpósito general. Par-ticularmente este tipo de máqinas se subdividen envarias ramas, de acurdo al area en el que se las de-sarrolla e implementa.Otra manera de clasificación de los sistemas de cóm-puto, es por su capasidad de procesamiento, asi pode-mos encontrar 4 categorias:

• Super Computadoras: Una supercomputa-dora o un superordenador es aquella con capaci-dades de cálculo muy superiores a las computa-doras corrientes y de escritorio y que son usadascon fines específicos. Hoy día los términos de su-percomputadora y superordenador están siendoreemplazados por computadora de alto de-sempeño y ambiente de cómputo de altodesempeño, ya que las supercomputadoras sonun conjunto de poderosos ordenadores unidosentre sí para aumentar su potencia de trabajo ydesempeño. Al año 2011, los superordenadoresmás rápidos funcionaban en aproximadamentemás de 200 teraflops (200 billones de operacionespor segundo). Estos sistemas normalmente sonlos costosos, pero su nivel de rendimiento esmuy alto, y se utilizan para tareas que reqio-eram altos niveles de procesamiento a grandesvelocidades.

Figure 3: Super Computador BLUE GENE/P - IBM2009

• Macrocomputadoras (Mainframe): Sonsistemas de computo de alta velocidad, con ca-pasidad de gestionar un gran numero de usuarios,como el de tener a su dependencia un numerogrande de terminales. Estos sistemas normal-mente son la columna vertebral de las grandescorporaciones, pues en estas se alamacenan susbase de datos, proveen servicios como soportepara gestion.

Figure 4: Mainframe

• Minicomputadoras: Las minicomputadorasson una clase de computadora multiusuario, quese encuentran en el rango intermedio del espec-tro computacional, es decir entre los grandes sis-temas multiusuario (mainframes), y los más pe-queños sistemas monousuarios (microcomputa-doras, computadoras personales, o PC, etc.).Estas máquinas hicieron su aparición al iniciode los años 60, y son usadas por empresas ocorporaciones medianas, funcionalmente son se-mejantes a las Mainframe, pero de menor porteo capasidad de porcesaminto.

• Microcomputadoras: En esta divicion se en-

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cuentran los sistemas de computo mas accesibles,con capacidades inferiores a las minicomputado-ras, en esta categoria se encuentran las PC, uordenadores de sobremesa, las Notebook y hoyen dia se le anexa a esta divición las tabletsy smartphones. En este apartado, tambien sepuede subclasificar por el grado de portabilidad,y tamaños, ya que en la actualidad el espectrode terminales es muy amplio.

Figure 5: Microcomputadoras

Otro manera de poder clasificar los sistemas de com-puto, es por medio de su funcionalidad, este métodode clasificación es muy importante por que acá seencuentra una serie de dispositivos de aplicacionesindustriales que son muy importantes en el mundode la ingeniería.

• Analógicas: Estos sistemas de computos ob-tienen sus datos a partir de alguna forma demedición, suelen ser muy eficaces para algunasaplicaciones, y presentan una cualidad de poderdar solución a algunos problemas que no soncomputables en maquinas finitas, que serian lasDigitales que comunmente se tienen.Este tipo de maquinas normalmente se utilizanpara poder supervisar condiciones del mundoreal, tales como viento, temperatura, sonido,movimiento.

• Digitales: Estas maquinas representan susdatos e informacion en cantidades finitas y disc-retas, normalmente trabajan con la logica bi-naria (0 , 1). Otro modo de diferenciarla consu par analogico es desir que las computado-ras analógicas miden, mientras que las digitalescuentan.

• Hibridas: Esta es una combinación de las dig-itales y las analógicas, asi obteniendo las bon-dades de cada uno de los diferentes tipos de

Figure 6: Computador Analógico

computadoras, para ampliar el grado de apli-cación, en el mundo del prosesaminto de datos.

De acuerdo a esta gran variedad de formas de clasi-ficar los sistemas de computo, se revelan que el aban-ico de aplicaciones es muy amplio, desde sistemaspara proveer servicios, procesamiento de señales, usodomestico, control y automatización, ocio, produc-ción, investigación y mucho mas, pues se han con-vertido en una herramienta fundamental en el díaa día de la humanidad, para dar sustento a la vidamoderna como hoy la conocemos.

3 Esquema de Von Neumann

El nacimiento u origen de la arquitectura Von Neu-mann surge a raíz de una colaboración en el proyectoENIAC del matemático de origen húngaro, John VonNeumann. Este trabajaba en 1945 en el LaboratorioNacional Los Álamos cuando se encontró con unode los constructores de la ENIAC. Compañero deAlbert Einstein, Kurt Gödel y Alan Turing en Prince-ton, Von Neumann se interesó por el problema de lanecesidad de recablear la máquina para cada nuevatarea. En 1949 había encontrado y desarrollado lasolución a este problema, consistente en poner lainformación sobre las operaciones a realizar en lamisma memoria utilizada para los datos, escribién-dola de la misma forma, es decir en código binario.Su "EDVAC" fue el modelo de las computadoras deeste tipo construidas a continuación.De esta manera Neumann desarrollo el concepto dePrograma almacenado, el cual dice lo siguiente:

El sistema de computo, tiene la capaci-dad de almacenar tanto las rutinas comolos datos en algún medio físico, para queposteriormente, estos fueran procesados.

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Figure 7: Arquitectura de Von Neumann

Asi de esta manera era posible reutilizar las rutinasy solamente reemplazar los datos, o sino reemplazarlas rutinas y mantener almacenado los datos, lo quedio como resultado el desarrollo de los futuros sis-temas de computo. A partir de este concepto y laexplicacion del mismo, Neumann esboso el sistemaque da solución a dicho concepto, el cual es hoy endia conosido como la Arquitectura de Von Neu-mann, pero cabe destacar que Turing tambien porsu lado, desarrollo otros documentos a la par, quetambien describen el conepto de programa almace-nado, como una arquitectura teoria, pero como fueposterior su divulgación, la arquitectura de Neumannfue la mas popularizada.

Figure 8: Arquitectura de Von Neumann

Un sistema de computo a base de una arquitecturacomo la citada, realiza los siguietes pasos, para poderejecutar un procesamiento dado:

1. Enciende el ordenador y obtiene la siguienteinstrucción desde la memoria "Bus de Datos"en la dirección indicada por el contador de pro-grama "Bus de Direcciones"y la guarda en el

registro de instrucción "Bus de Control, Bus deDatos".

2. Aumenta el contador de programa en la longitudde la instrucción para apuntar a la siguiente"Bus de Direcciones".

3. Decodifica la instrucción mediante la unidad decontrol. Ésta se encarga de coordinar el restode componentes del ordenador para realizar unafunción determinada "Bus de Control".

4. Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiarel valor del contador del programa, permitiendoasí operaciones repetitivas. El contador puedecambiar también cuando se cumpla una ciertacondición aritmética, haciendo que el ordenadorpueda "tomar decisiones", que pueden alcanzarcualquier grado de complejidad, mediante laaritmética y lógica anteriores.

5. Vuelve al paso 1

3.1 Componentes de la Arquitectura deVon Neumann

Todos estos pasos se valen de los diferentes bloquesfuncionales de la arquitectura, y cada uno cumpleuna función critica y determinante pera su correctofuncionamiento.

3.1.1 Unidad Central de Procesamiento (CPU)

La CPU, es considerado el corazon de los sistemas decomputo, ya que este es el que realmente realiza lasopreaciones sobre los datos, que van desde un sim-ple ordenamiento de ellos, hasta elaborados calculos.Toda CPU cuenta con:

• Conjunto de Registros, estos pueden ser depropósito general y específicos, algunos de ellosestán a la vista del programador, como otrosson de uso interno, y normalmente no se puedentocar.

• Unidad de control (UC), este es consideradoel arbitro de la CPU, pues es el que se encargade enviar mediante el bus de control, todas lasseñales que activan registros, escritura, tempo-rización, y realiza control de acceso a los bucespor las otras partes de la CPU y periféricos aeste.

• Unidad Aritmética Lógica (ALU), Estecomponente es el encargado de realizar todaslas operaciones matemáticas, sobre los datos,

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dichas operaciones pueden ser del tipo booleana,aritmética entera, o de coma flotante, es decircon decimales. Dependiendo de la arquitecturainterna de la CPU, algunas traen mas de unaALU, y varían los tipos de cálculos que realizan,y de echo este proceso es considerado como unade las métricas para la evaluación de un sistemade computo.

Figure 9: ALU

Cada uno de estos miembros que conforman la CPU,se encuentran de alguna manera interconectados porbuces internos, dichos buces varian de a cuerdo ala arquitectura particular de la CPU, y el ancho dedichos buces tambien varia, esto se refiere si es de2bits, 8bits, 16bits etc. Tambien la CPU, se comunicacon los otros miembros del computador, medianteotros buces externos y cada uno con un propocitoparticular.

3.1.2 Memoria

La memoria es un conjunto de arreglos de algún tipo,que representan datos, capaces de ser interpretadospor un sistema de computo, como también trans-feridos por medio de algún bus. En el esquema deNeumann, este bloque es el encargado de almacenartanto las rutinas como los datos, y estos después sonvolcados eventualmente a la CPU para ser procesa-dos por el mismo. Existen muchos tipos de modosde almacenamiento, que se estudiaran a lo largo delcurso, pero es importante destacar que existe ungrado de jerarquía en las memoria desde el punto devista funcional. Esta manera de clasifica deja a lamemoria en dos grupos importantes que son:

• Memoria Principal: Es la memoria mas cercade la CPU, esta compuesta de los registros inter-

Figure 10: Memoria

nos de la misma, la memoria cache y la memo-ria RAM. Dicha memoria es la esencial para laejecución de sentencias, y almacenamiento dedatos, ya que sin ella el sistema de computocarece de sentido y deja de cumplir el esquemade Neumann.

• Memoria Secundaria: Esta conformada porlos medios adicionales de almacenamiento, y noforman parte del esquema básico de Neumann,por lo que son consideradas como elementosperiféricos del sistema de computo, pero si rep-resentan un elemento importante de soporte dealmacenamiento, ya que mediante estas memo-rias, es posible dar mayor prestaciones a lossistemas de computo o incluso poder con ellassimular un bloque mayor de memoria principalo primaria, como tambien permiten la portabili-dad de datos.

3.1.3 Entrada/Salida

Los dispositivos de entrada y salida son aquellos quepermiten la interacción del usuario con el sistemade computo, dichos dispositivos se comunican con elordenador, mediante algún tipo de interfase o puerto,y son gestionados por la CPU.Dichos puertos o inter-faces, vuelcan los datos a los correspondientes buces,y dado el caso proveen datos al ordenador, o de infor-mación al usuario. Como ejemplo de los dispositivosde salida, pueden ser monitores o impresoras, mien-tras que como dispositivo de entrada, pueden serteclado, mouse, unidad de DVD, PenDrive, micró-fono etc.

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Figure 11: Dispositivos I/O

3.1.4 Buces

Como se pudo observar en la figura 7, la arquitecturade Von Neumann, hace uso de un elemento de co-municación que es el encargado de interconectar losdistintos bloques del sistema y se pueden identificar3 tipos:

• Bus de Datos: Es el encargado de transportarlos datos ya sea de la memoria a la CPU,de laCPU a la memoria o entre dispositivos de I/Ocon el sistema de computo.

• Bus de Direcciones: Este bus se conecta di-rectamente con los sistemas de indexación, parapoder transportar el conjunto de direcciones dememoria en donde se encuentran alojados losdatos, por ese bus solo se transportaran direc-ciones y ningún otro tipo de elemento mas. estebus puede ser accedido por cualquier dispositivoI/O, como por la CPU, y esencialmente por lamemoria, ya que ella es la que ara mayor usode este bus para poder proporcionar y/o grabardatos.

• Bus de Control: Este bus es el que se co-munica directamente con la UC de la CPU, ysolamente, transporta señales de control, nor-malmente habilitando o deshabilitando algúnelemento de la CPU, como de la señalización delos procesos, y la comunicación entre los dispos-itivos de I/O y también la memoria.

Dichos buces se les caracteriza también por el anchode los mismos así como se explico en el caso de laCPU, en el apartado 3.1.1, es decir el tamaño de palaque pueden transportar, estas palabras pueden serdesde 1bit hasta 64bits y mas incluso.

3.2 Dispositivos Perifericos

Tras analizar el esquema de Von Neumann, y cadauno de sus componentes, es considerado como per-iférico, todo elemento que no pertenezca a la arquitec-tura de Neumann, es decir, un sistema de computoesta compuesto de una CPU, una memoria RAMcomo memoria principal, un monitor como elementode salida, un teclado como elemento de entrada yclaro internamente sus buses de comunicación, en-tonces un disco duro, un mouse, una impresora eneste sistema es considerado como periférico.

4 Hardware and Software

Ahora que conocemos lo que es un sistema de com-puto, es posible hacer una diferencia de dos elementosque conforman el sistema en si.

4.1 Hardware

Es el conjunto de elementos físicos que conforman alsistema de computo, y la interconexión de los difer-entes subsistemas o módulos físicos hacen en si al Sis-tema de Computo. De esta manera, el conjuntode circuitos, botones, puertos, cables conforman, el-ementos mecánicos, conforman el gran abanico dehardware, y la variedad hoy en día es casi infinita yesta en constante desarrollo.

Figure 12: Hardware

4.2 Software

Este esta conformado por el conjunto de instruccionesy rutinas que ejecuta el hardware, representaría laparte lógica del sistema de computo, pues en el seencuentra la lógica. Los software se pueden clasificarde tres maneras:

• Software de Base: también denominados soft-wares de sistema, son el conjunto de rutinas y

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programas que se encargan de gestionar los ele-mentos físicos (Hardware) del sistema de com-puto, y así le da un soporte a los programasde aplicación para que estos puedan ser ejecu-tados. como software de base, se pueden en-contrar los sistemas operativos, controladores,cargadores de programas, compiladores, ensam-bladores, BIOS, gestores de arranque etc.

Figure 13: Software de Base

• Software de Aplicación: Es aquel que per-mite a los usuarios llevar a cabo una o variastareas específicas, en cualquier campo de activi-dad susceptible de ser automatizado o asistido,con especial énfasis en los negocios.En esta división podemos encontrar gran var-iedad de programas, desde paquetes de ofimática,hasta reproductores de audio, softwares de mon-itore, de gestión, de calculo, de ocio etc.

Figure 14: Software de Aplicación

• Software de programación: Es el conjuntode herramientas que permiten al programadordesarrollar programas informáticos, usandodiferentes alternativas y lenguajes de progra-mación, de una manera práctica.Estos softwares normalmente son conosidoscomo IDE’s de programación, de los cuales se en-cuentra hoy en dia una gran gama de ellos, paratodos los tipos de lenguajes de programacion,incluso de multiples plataformas.

Figure 15: Software programación

References

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[2] Peter Norton,Introducción a la Computació";3Âo edición, Prentice Hall, 2004.

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[6] Wikipedia, Clasificación de las Computadoras,www.wikipedia.com; 2012.

[7] Garita Ponce Omar, ITCM Modelo de computa-doras KND, Programa Almacenado; 2009.

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