1.1. Arquitectura de computadores.Arquitectura de computadores.La arquitectura de los ordenadores se refiere al estudio de la estructura, el

funcionamiento y el diseño de los ordenadores.Un ordenador es un dispositivo electrónico capaz de recibir instrucciones y ejecutarlas,

procesando la información recibida.

Modelo de Von Neumann:CPU (Central Processing Unit – Unidad Central de

Procesos).Entradas.Salidas.Memoria de trabajo.Memoria permanente.

John von Neumann zu Margaritta (28 de diciembre de 1903 - 8 de febrero de 1957) fue uno de los más grandes matemáticos del siglo XX. Húngaro-estadounidense que realizó contribuciones importantes en física cuántica, análisis funcional, teoría de conjuntos, ciencias de la computación, economía, análisis numérico, cibernética, hidrodinámica (de explosiones), estadística y muchos otros campos de la matemática.

Generaciones de ordenadores: 1ª Generación (1946. ENIAC):- Creados con válvulas electrónicas.- Gran tamaño.- Consumían mucha energía.- Se estropeaban mucho.

2ª Generación ( a partir de 1950. UNIVAC, IBM SERIE 700):

- Basados en el empleo de transistores.- Menor tamaño.- Consumo de energía menor.- Menos averías.- Menores costes de fabricación.

3ª Generación (1958. IBM 360):- Utilización de primeros chips,

circuitos integrados con semiconductores que sustituyen a los transistores.

4ª Generación (1971):- Compañía Texas Instruments inicia la fabricación de microprocesadores (primera calculadora de bolsillo).

5ª Generación (entre los años 80-90):- Aparece el ordenador personal PC (de

IBM).- Mayor integración, aparición de múltiples

procesadores que trabajan en paralelo.- Uso de Intel 8086 y 8088, con SO MSDOS.- Apple comercializa ordenadores

Macintosh.

6ª Generación (a partir de 1990):- Explotación de masivas arquitecturas

paralelas en ordenadores.- Crecimiento exlposivo de redes

telemáticas.- Límite de integrabilidad del silicio

(desarrollo de ordenador orgánico - y haz de fotones).

2. Codificación de la información.Lenguaje máquina o de bajo nivel. Este lenguaje se conoce como lenguaje de bajo nivel, ya que es

el único que puede entender el hardware del ordenador. Las señales que se transmiten por los cables son señales eléctricas: cuando tienen un cierto voltaje, se codifican como unos; cuando el voltaje es inferior, como ceros; y si al ordenador no le llega ningún voltaje, entenderá que ha ocurrido un error o que la

línea o comunicación está cortada.En informática, para codificar la información, se utiliza el sistema binario de numeración, en el que la mínima unidad de información es el bit, que representa un 1 o un 0. Los múltiplos de éste son potencias de base 2: 2n:

Lenguaje de alto nivel. el que utilizan los programas o el sistema operativo como interfaz con las personas

Byte (B) 8 bits

Kilobyte (KB) 1024 bytes = 210 bytes

Megabyte (MB) 1024 kilobytes = 210 kilobytes

Gigabyte (GB) 1024 megabytes = 210 megabytes

Terabyte (TB) 1024 gigabytes = 210 gigabytes

Petabyte (PB) 1024 terabytes = 210 terabytes

Código ASCII (American Standard of Code)-Código de caracteres basado en el alfabeto latino.

-Creado en 1963 por el Comité Estadounidense de Estándares.

-Utiliza 7 bits para representar los caracteres, aunque inicialmente empleaba un bit adicional (bit de paridad) que se usaba para detectar errores en la transmisión.

- Define códigos para 33 caracteres no imprimibles, códigos pensados por ejemplo para controlar dispositivos como impresoras. Por ejemplo, el carácter 10 representa la función “nueva línea” que hace que una impresora avance el papel y el carácter 27 representa la tecla “escape” que a menudo se encuentra en la esquina superior izquierda de los teclados comunes.

-Define además otros 95 códigos para caracteres imprimibles que les siguen en la numeración (empezando por el carácter espacio).

3. Sistemas de numeración. Conversión de datos.

Sistema de numeración decimal. Se compone de diez dígitos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) a los que otorga un valor dependiendo de la posición que ocupen en la cifra: unidades, decenas, centenas, millares, etc. El valor de cada dígito está asociado al de una potencia de base 10, número que coincide con la de símbolos o dígitos del sistema decimal, y un exponente igual a la posición que ocupa el dígito menos uno, contando desde la de-recha. En el sistema decimal el número 528, por ejemplo, significa:

5 centenas + 2 decenas + 8 unidades, es decir:5*102 + 2*101 + 8*100 o, lo que es lo mismo:

500 + 20 + 8 = 528En el caso de números con decimales, la situación es análoga aunque, en este caso, algunos exponentes de las potencias serán negativos, concreta-mente el de los dígitos colocados a la derecha del separador decimal. Por ejemplo, el número 8245,97 se calcularía como:

8 millares + 2 centenas + 4 decenas + 5 unidades + 9 décimos + 7 céntimos8*103 + 2*102 + 4*101 + 5*100 + 9*10-1 + 7*10-2, es decir:

8000 + 200 + 40 + 5 + 0,9 + 0,07 = 8245,97

Sistema de numeración binario. El sistema de numeración binario utiliza sólo dos dígitos, el cero (0) y el uno (1). En una cifra binaria, cada dígito tiene distinto valor dependiendo de la posición que ocupe.El valor de cada posición es el de una potencia de base 2, elevada a un exponente igual a la posición del dígito menos uno. Se puede observar que, tal y como ocurría con el sistema decimal, la base de la potencia coincide con la cantidad de dígitos utilizados (2) para representar los números.

De acuerdo con estas reglas, el número binario 1011 tiene un valor que se calcula así: 1*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20, es decir:

8 + 0 + 2 + 1 = 11y para expresar que ambas cifras describen la misma cantidad lo escribimos así:

10112 = 1110

Como regla general, con n dígitos binarios pueden representarse un máximo de 2n, números.

El número más grande que puede escribirse con n dígitos es una unidad menos, es decir, 2n – 1. Con cuatro bits, por ejemplo, pueden representarse un total de 16 números, porque 24 = 16 y el mayor de dichos números es el 15, porque 24-1 = 15.

Sistema de numeración octal. Los números se representan mediante ocho dígitos diferentes: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Cada dígito tiene, naturalmente, un valor distinto dependiendo del lu-gar que ocupen. El valor de cada una de las posiciones viene determinado por las potencias de base 8.Por ejemplo, el número octal 2738 tiene un valor que se calcula así:

2*82 + 7*81+ 3*80 = 2*64 + 7*8 + 3*1 = 19510

2738 = 10

Sistema de numeración hexadecimal. Los números se representan con dieciséis símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E y F. Se utilizan los caracteres A, B, C, D, E y F representando las cantidades decima-les 10, 11, 12, 13, 14 y 15 respectivamente, porque no hay dígitos mayores que 9

en el sistema decimal. El valor de cada uno de estos símbolos depende, como es lógico, de su

posición, que se calcula mediante potencias de base 16. Calculemos, a modo de ejemplo, el valor del número hexadecimal 1A3F16:

1A3F16 = 1*163 + A*162 + 3*161 + F*160

1*4096 + 10*256 + 3*16 + 15*1 = 67191A3F16 = 671910

Conversión de decimal a binario. Basta con realizar divisiones sucesivas por 2 y escribir los restos obtenidos en cada división en orden inverso al que han sido obtenidos.Por ejemplo, para convertir al sistema binario el número 7710 :

Conversión de binario a decimal. Basta con desarrollar el número, teniendo en cuenta el valor de cada dígito en su posición, que es el de una potencia de 2, cuyo exponente es 0 en el bit situado más a la derecha, y se incrementa en una unidad según vamos avanzando posiciones hacia la izquierda. Por ejemplo, para convertir el número binario 10100112 a decimal, lo

desarrollamos teniendo en cuenta el valor de cada bit:1*26 + 0*25 + 1*24 + 0*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20 = 83

10100112 = 8310

Conversión de decimal a octal. La conversión de un número decimal a octal se hace con la misma técnica que ya hemos utilizado en la conversión a binario, mediante divisiones sucesivas por 8 y colocando los restos obtenidos en orden inverso. Por ejemplo, para escribir en octal el número decimal 14810:

Tomando los restos obtenidos en orden inverso tendremos la cifra octal: 14810 = 2248

Conversión octal a decimal. La conversión de un número octal a decimal es igualmente sencilla, conociendo el peso de cada posición en una cifra octal. Por ejemplo, para convertir el número 2378 a decimal basta con desarrollar el valor de cada dígito:

2*82 + 3*81 + 7*80 = 128 + 24 + 7 = 15910

2378 = 15910

Conversión de decimal a hexadecimal. Ensayemos, utilizando la técnica habitual de divisiones sucesivas, la conversión de un número decimal a hexadecimal. Por ejemplo, para convertir a hexadecimal del número 186910 será necesario hacer las siguientes divisiones:

De ahí que, tomando los restos en orden inverso, resolvemos el número en hexadecimal:186910 = 74D16

Conversión de binarios a octales y viceversa. Cada dígito de un número octal se representa con tres dígitos en el sistema binario. Por tanto, el modo de convertir un número entre estos sistemas de numeración equivale a "expandir" cada dígito octal a tres dígitos binarios, o en "contraer" grupos de tres caracteres binarios a su correspondiente dígito octal.

Por ejemplo, para convertir el número binario 1010010112 a octal, tomaremos grupos de tres bits y los sustituiremos por su equivalente octal:

1012 = 58

0012 = 18

0112 = 38

y, de ese modo: 1010010112 = 5138

La conversión de números octales a binarios se hace, siguiendo el mismo método, reemplazando cada dígito octal por los tres bits equivalentes. Por ejemplo, para convertir el número octal 7508 a binario, tomaremos el equivalente binario de cada uno de sus dígitos:

78 = 1112

58 = 1012

08 = 0002

y, por tanto: 7508 = 1111010002

Conversión de binarios a hexadecimales y viceversa . Del mismo modo que hallamos la correspondencia entre números octales y binarios, podemos establecer una equivalencia directa entre cada dígito hexadecimal y cuatro dígitos binarios.

Para expresar en hexadecimal el número binario: 10102 = A16

01112 = 716

00112 = 316

y, por tanto: 1010011100112 = A7316

Para expresar en binario un número hexadecimal: 116 = 00012

F16 = 11112

616 = 01102

y, por tanto: 1F616 = 0001111101102

Anexo I

4. Componentes del ordenador. Hardware.4.1. La fuente de alimentación.Los ordenadores funcionan con corriente continua, por lo

que necesitan algún dispositivo que convierta la corriente

alterna de un enchufe (rectificación de la corriente alterna).

Esta función la desempeña la fuente de alimentación, que

además, se encarga de reducir la tensión que recibe de la

red, de 230 V, al valor que necesita el ordenador para

funcionar, normalmente entre 3 y 12 V.

Debido a que la fuente de alimentación realiza un trabajo, se calienta. Para evitar que se caliente en exceso, tiene un ventilador que recoge aire frío del exterior y lo hace pasar por su interior.

4.2. La placa base.Se trata de un circuito impreso donde se conectan todos los elementos del ordenador: microprocesador, memorias RAM y ROM, discos duros, lectores-grabadores de CD y DVD, etc.

La placa base tiene dos funciones:•Servir de soporte: algunos de los componentes del ordenador están sujetos o soldados a la placa base, que les proporciona un soporte físico. Es el caso del microprocesador, de las memorias RAM y ROM, de las tarjetas de vídeo,…•Permitir la comunicación entre los diversos elementos del ordenador. En la superficie de la placa base, hay conductores de cobre, pistas, que permiten que circulen los datos en forma de impulsos eléctricos. Toda la información que procesa el ordenador, pasa por la placa base.

4.3. Microprocesador.El microprocesador es un chip o circuito integrado que hace las funciones de cerebro del ordenador. Tiene en su interior millones de transistores y otros componentes electrónicos que le permiten manejar gran cantidad de información y realizar cálculos matemáticos a gran velocidad y con una gran precisión. El microprocesador se encarga de recibir toda la información procedente de los periféricos de entrada, procesarla y enviar los resultados a los periféricos de salida.

El chip está recubierto de una cápsula cerámica que lo protege. En su parte inferior dispone de cientos de patas, o pines, que sirven para conectarlo con el resto de componentes del ordenador.

El microprocesador se aloja en la placa base, en un zócalo (también llamado socket o slot) preparado especialmente para acogerlo y que permite que pueda ser fácilmente sustituido en caso de necesidad.

Este zócalo tiene tantos agujeros como patas tiene el microprocesador. La comunicación con el resto de componentes del ordenador se realiza a través de la placa base.

Debido al funcionamiento de los millones de transistores, el microprocesador se calienta, por lo que el ordenador suele utilizar un ventilador situado encima de él con para refrigerarlo.

Partes lógicas del microprocesador:

Unidad de Control (UC): determina el envío de instrucciones desde la memoria hasta la CPU.

Unidad aritmético-lógica (ALU): decodifica o interpreta las instrucciones y procesa la información.

Registros: zonas de almacenamiento donde se guardan los datos que se están procesando.

Las principales características que definen a los microprocesadores son:

•Velocidad interna. Es el número de instrucciones que es capaz de procesar, internamente, por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz).

•Velocidad externa. También llamada velocidad FSB o velocidad del bus, es aquella a la que el microprocesador se comunica con la placa base.

•Memoria caché. Existe un desajuste entre la velocidad del microprocesador y la velocidad de acceso a la memoria principal, ya que el microprocesador se ha desarrollado más rápidamente que las memorias y alcanza velocidades muy superiores. La solución que se ha encontrado es introducir entre el microprocesador y la memoria principal una memoria pequeña pero muy rápida, la memoria caché.

Un microprocesador de doble núcleo consiste en un chip (un solo encapsulado) con dos microprocesadores físicos en su interior (cada uno con su propia caché).

La tecnología Hyper Theading es aquella que permite que un procesador maneje dos conjuntos de instrucciones independientes. El procesador dispone de dos conjuntos de registros independientes pero comparten la caché, las unidades funcionales y los buses.

4.4. Buses.Son la red de canales que permite el intercambio de datos, a través de la placa base, entre todos los dispositivos conectados al ordenador. Los tres tipos de bus son:

• Bus de datos. Son los cables o pistas por los cuales circula la información. Es bidireccional, es decir, los datos entran y salen de la CPU.

• Bus de dirección. Una línea utilizada para determinar a dónde debe ir el flujo de información, a la memoria o a un periférico de entrada o salida. Es unidireccional, sale de la CPU.

• Bus de control. Conjunto de líneas para las señales de gobierno y sincronización, como el reloj, la indicación de si una operación es de lectura o escritura, el reset, etc.

4.5. Chipset.Chipset es el conjunto de circuitos integrados diseñados con base a la arquitectura de un procesador (en algunos casos diseñados como parte integral de esa arquitectura), permitiendo que ese tipo de procesadores funcionen en una placa base. Se encarga de controlar todas las comunicaciones entre el microprocesador, la memoria, los periféricos, los diferentes puertos, etc.

Las placas base modernas suelen incluir dos integrados, denominados Norte y Sur, y suelen ser los circuitos integrados más grandes después del microprocesador.

El chipset determina muchas de las características de una placa base y por lo general la referencia de la misma está relacionada con la del chipset.

4.6. Memoria principal.Podemos establecer la siguiente clasificación de las memorias:

Memorias de un puerto: RAM (SRAM, DRAM) y ROM (EPROM, EEPROM, Flash).

Memorias multipuerto: permiten que varios sistemas accedan simultáneamente a la memoria, por ejemplo en un sistema multiprocesador (Dual Port RAM, FIFO).

Vamos a centrarnos en las memorias RAM y ROM.

Memoria RAMEl microprocesador de un ordenador trabaja continuamente con una gran cantidad de información. Para procesarla y obtener un producto útil necesita almacenar temporalmente datos (números, fechas, letras,…) y programas (instrucciones que le indican qué hacer con estos datos), para ello utiliza la llamada memoria RAM (random acces memory).

Se trata de una memoria de acceso aleatorio (se puede acceder a cualquier parte de ella), que permite la lectura y la escritura, y que se considera volátil (se pierde la información que contiene cuando se apaga el ordenador).

DRAM (dynamic RAM). Necesita que, transcurrido un tiempo, se refresque la carga de la memoria. Tiene gran capacidad y bajo coste. Está formada por varios circuitos integrados (chips) que están soldados en una placa de plástico. El conjunto recibe el nombre de módulo de memoria RAM (que pueden ser de tipo DIMM o SIMM). En cada ordenador se pueden instalar varios módulos en diferentes ranuras de expansión siendo la memoria total la suma de la memoria de todos los módulos.

SRAM (static RAM). No necesita que se refresque la carga de memoria. Tiene menor capacidad que las DRAM pero es más rápida (y más cara). Existen varios tipos que se diferencian en la forma de trabajar, la velocidad, el consumo, etc. Suele utilizarse como memoria RAM caché.

Tipos de

Memoria RAM

Es una memoria de solo lectura. No es volátil, la información no se pierde al apagar el ordenador. Es ideal para almacenar las rutinas básicas, como el programa de arranque del ordenador (BIOS), el chequeo de memoria y otros.

La memoria EPROM (erasable programable ROM) permite ser borrada por rayos ultravioletas y volver a ser grabada de nuevo; las memorias Flash se utilizan mucho en dispositivos móviles, cámaras, teléfonos, etc., son fáciles de borrar y de utilizar, y muy útiles como BIOS.

Los conectores internos son todas aquellas ranuras de expansión, o slots, que se conectan a la placa base. Su uso no está predefinido, de modo que permiten añadir nuevos componentes, como tarjetas de vídeo, de sonido, de red, etc. (tarjetas de expansión). Existen varios tipos de slots:

•IDE (integrated device electronics) o ATA (advanced technology attachment). Controlan los dispositivos de almacenamiento masivo de datos, como los discos duros, CD-ROM, DVD, etc.

•PCI (peripheral component interconnect), para conectar diversos periféricos directamente a la placa base. Los actuales PCI-Express tienen una velocidad de 8 GB/s.

•AGP (accelerated graphics port). Son similares a los anteriores y tienen como objetivo los gráficos y la conectividad. Permite transferencia de datos de hasta 2 GB/s.

• SATA (serial advanced technology attachment). Es una interfaz (conjunto de commandos, métodos y soporte físico) de transmisión entre la placa base y algunos dispositivos como el disco duro.

Los puertos son conexiones eléctricas que permiten al microprocesador comunicarse con los periféricos (teclado, pantalla, ratón,…). El adaptador del cable que se introduce en el puerto se llama conector.

En los ordenadores de sobremesa, los puertos normalmente están situados en la parte posterior, aunque también pueden encontrarse algunos puertos, normalmente USB en la parte delantera para facilitar la conexión de dispositivos como cámaras, discos duros portátiles,… La mayoría de los puertos están integrados en la placa base, aunque también hay puertos en tarjetas de expansión que se conectan a la placa base.

Es el dispositivo que utilizamos para guardar un archivo o para almacenar los programas. En el disco duro los datos quedan grabados de forma permanente.

Normalmente está fijo en el ordenador, conectado a la placa base. Se trata de una caja metálica que contiene en su interior uno o varios discos de aluminio apilados. Los discos giran a gran velocidad impulsados por un motor eléctrico. En la superficie de estos discos hay una película de un material magnético. Un dispositivo denominado cabezal de lectura y escritura, instalado en el extremo de un brazo articulado, graba la información en la superficie magnética.

Pistas Sectores

Partes de un disco duro: plato, cara, pistas, sectores

• Únicamente de lectura: CD-ROM (read only memory), DVD-ROM.• Grabable una sola vez (solo una escritura): CD-R (recordable), DVD-R, DVD+R.• Regrabable (muchas escrituras): CD-RW (rewritable), DVD-RW, DVD+RW.Los discos están compuestos de una superficie de policarbonato y otra de aluminio reflectante recubierta de plástico protector fotosensible. Utilizan un haz de rayo láser tanto para leer los datos como para grabarlos (por se les llama “ópticos”). Los datos quedan grabados en forma de hoyos o surcos microscópicos, creados por deformaciones que produce el láser en el material fotosensible. En el proceso de lectura se enfocan conun láser las pistas de datos y mediante un fotodiodo se leen los cambios de luz reflejada en los hoyos y surcos; posteriormente se decodifica la información.

Una memoria USB (Universal Serial Bus) es un dispositivo de almacenamiento masivo que utiliza memoria flash de tipo EEPROM. Se conecta mediante un puerto USB y la información que a éste se le introduzca puede ser modificada millones de veces durante su vida útil. Estas memorias son resistentes a los rasguños (externos), al polvo, y algunos al agua. En España son conocidas popularmente como pinchos o lápices de memoria. Se pueden encontrar memorias con capacidad que van desde 1GB hasta 256 GB.

Blue Ray es uno de los últimos formatos de disco óptico. Desarrollado por Sony, puede almacenar hasta 50 GB gracias a una nueva tecnología láser. Permite además una sobreescritura más fiable, con menos errores de grabación y mayor resistencia física.

Son los componentes informáticos que permiten al ordenador comunicarse con el exterior. Se pueden clasificar en tres tipos según el sentido de la información que fluye entre el ordenador y el exterior.

Anexo II