INFORMÁTICA APLICADA

UNIDAD DIDÁCTICA 1

Tema 1 – Sistemas informáticos

Introducción

Desde la antigüedad el hombre ha diseñado máquinas y mecanismos que le permitan realizar su trabajo más fácil y cómodamente, aplicando la tecnología disponible

Trabajos difíciles → máquinas complejas

Máquinas polivalentes y programables

¿Qué es la Informática?

Palabra de origen francés formada por la contracción de INFORmación y autoMÁTICA

R.A.E.: «conocimientos científicos y técnicas quehacen posible el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores»

Este tratamiento es racional, pues obedece a órdenes establecidas por razonamientoshumanos (otra cuestión es que sean correctos). El ordenador casi nunca se equivoca

¿Qué es un ordenador?

1.Máquina automática programable que obtieneunos datos de salida aplicando unasoperaciones básicas predefinidas en élsobre unos datos de entrada

2.Conjunto de componentes electrónicosintercomunicados entre sí (hardware), capazde recibir un conjunto de operaciones y ejecutarlas (software)

Niveles conceptuales de un ordenador

Nivel Electrónico

Niveles conceptuales de un ordenador

Nivel Electrónico

Nivel Máquina

Niveles conceptuales de un ordenador

Nivel Electrónico

Nivel Máquina

Nivel Sistema Operativo

Niveles conceptuales de un ordenador

Nivel Electrónico

Nivel Máquina

Nivel Sistema Operativo

Nivel Lenguajes Programación

Niveles conceptuales de un ordenador

Nivel Electrónico

Nivel Máquina

Nivel Sistema Operativo

Nivel Lenguajes Programación

Nivel de Aplicación

Componentes de un sistemainformático

El hardware (CPU, memoria, dispositivos de E/S ...) Facilita los recursos básicos de la computación.

El sistema operativo Controla y coordina el uso del hardware por parte de los

distintos programas de aplicación.

Los programas de aplicación (procesadores de texto, hojas de cálculo, compiladores, bases de datos, videojuegos,...) Definen cómo hay que utilizar estos recursos para resolver los

problemas de los usuarios.

Los usuarios (personas u otros ordenadores o programas).

Tipos de sistemas informáticos

Propósito general, para todo tipo de aplicaciones Propósito específico, aplicaciones concretas:

− Diseño propio del sistema informático− Sistema basado en bus industrial− Sistemas informáticos comerciales:

Sistemas basados en microcontrolador Sistemas basados en PC o compatible Autómatas programables

Sistemas basados en bus industrial

Sistemas basados en micros

Sistemas basados en autómatas

Más usado en control de entornos industriales

Programación sencilla Muy robustos y estables Poca capacidad de

cómputo Poca versatilidad

INFORMÁTICA APLICADA

UNIDAD DIDÁCTICA 1

Tema 2 – Arquitectura de computadores y Representación de la información

Bibliografía

Fundamentos de informática, 4ª Edición:− Capítulo 1: 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 1.6− Capítulo 4: 4.1, 4.2, 4.5− Capítulo 7− Capítulo 8: 8.6− Capítulo 10: 10.1, 10.2− Capítulo 12: 12.4− Capítulo 14

Introducción

Estudio del hardware de los ordenadores basados en tecnología electrónica digital

Estos ordenadores utilizan un código basado en tensión eléctrica con dos estados (0 ó 1), binary digit (bit). 1 byte = 8 bits

Basado en potencias de 2. Los múltiplos son:− Kb (1.024 bits) – KB (1.024 bytes)− Mb (1.024 Kb) – MB (1.024 KB)− Gb (1.024 Mb) – GB (1.024 MB)

Arquitectura von Neumann

CPU

UC

UAL

MEMORIAPRIMARIA

SECUNDARIA

CONTROLADORES

…Ctrl_1

Ctrl_N

Unidades de E/S

…Unidad_1

Unidad_M

Unidad aritmético-lógica Unidad de control

Memoria Entrada/salida

Buses del sistema

Unidad central de procesos (CPU)

Circuito electrónico que controla todas las operaciones que se realizan en el ordenador

Sigue siempre la misma secuencia. Es un autómata Principales características de la CPU:

− Frecuencia reloj (MHz) ≈ velocidad procesamiento− Ancho palabra (bits) ≈ potencia de procesamiento.

Número de líneas del bus de datos. 8, 16, 32, 64 bits− Juego de instrucciones, define operaciones básicas de

la CPU ≈ alfabeto de la CPU (CISC vs. RISC)− Mejoras: pipeline, paralelismo, arquitectura superescalar,

Principales unidades de la CPU

Unidad de control del estado y la actividad de la CPU. Se activa cada tick del reloj. Registros especiales: PC, IR, SP, Acc, AR, DR

Unidad aritmético-lógica y otras, como unidad coma flotante y de propósito específico

Memoria caché, muy rápida, para almacenar datos e instrucciones utilizadas recientemente

Estructura CPU

Secuencia de funcionamiento CPU

1.Gestión de interrupciones (salto al bloque adecuado)2.Busca en memoria la siguiente instrucción (fetch)3.Analiza la operación de la instrucción (decode)4.Opcionalmente, busca datos de la instrucción 5.Ejecuta la operación: (execute)

• Operación aritmética-lógica o de asignación• Movimiento de datos internos o con el exterior• Instrucción de salto con/sin comparación

6.Opcionalmente, almacena el resultado (write)

Simulador de CPU: PIPPIN

http://www.dsie.upct.es/docencia/pippin/

La memoria

Almacena indistintamente datos e instrucciones, quesuministra a la CPU bajo demanda

Organizada en celdas (registros) de 1 byte Tecnologías: electrónica, magnética, óptica, estado

sólido, etc. Tipos: RAM, ROM, PROM, EPROM, etc.

.....500

.....501

.....502

.....503

0 1 2 3 4 5 6 71 1 1 1 1 0 0 00 0 0 0 1 1 1 01 1 0 0 0 0 0 11 0 0 0 1 1 1 1

Jerarquía de memoria

Características de la memoria: capacidad, coste y tiempo de acceso

No existe la memoria ideal → necesario combinar distintas tecnologías:− Memoria principal: suministra instrucciones y datos

a velocidad próxima a la de la CPU (RAM y caché)− Memoria secundaria: almacena datos y programas

(disco duro, CD, DVD, memorias USB, etc.)

Velocidad y precio

Capacidad

Memoria primaria

Los registros: muy rápidos (conectados a la CPU), pero son pocos (32) con capacidad igual al ancho de palabra de la CPU. Los usa la CPU para guardar la siguiente instrucción a ejecutar y los datos relevantes

La caché: conforme aumenta la capacidad de integración, queda más sitio libre en la CPU. Esta memoria se usa para guardar los bloques de instrucciones que, posiblemente, tenga que ejecutar la CPU.

Memoria RAM: menor velocidad pero mayor capacidad. Memoria principal del sistema. Volátil

Memoria virtual: menor velocidad pero mayor capacidad. Artefacto del sistema operativo.

Memoria magnética

Memoria magnética

Memoria óptica

CD Virgen al microscopio

1000 5000 15000

0

Memoria óptica

Memoria de estado sólido. SSD

Sistema de entrada/salida

Conjunto de dispositivos que relacionan (comunican) el ordenador con el mundo exterior: usuarios humanos u otro ordenador

Diseño complejo debido a la gran variedad de sistemas y características:

− Hardware: requisitos eléctricos dispares− Software: los periféricos funcionan a la velocidad del

“mundo exterior”, con una cadencia impredecible. Problemas de sincronización, compartición de recursos y uso del dispositivo (driver)

Bus del sistema

Une los componentes del ordenador Existen varios tipos de buses, con distintas

características (ISA, PCI, AGP, I2C, PCI-E, etc.) El bus del sistema está integrado por:

− Bus de datos: lleva información (datos o instrucciones) entre la CPU y memoria o dispositivos entrada/salida

− Bus de control: transmite las señales de control de la CPU (lectura/escritura, habilitación, etc.)

− Bus de direcciones: la CPU indica el destinatario de los datos y el control

Tipos de periféricos

Entrada: teclado, ratón, joystick, micrófono, escáner, capturadora de video, tabletas digitalizadoras, etc.

Salida: monitor, altavoz, impresora, etc.

Entrada/salida: pantalla táctil, modem, tarjeta de red, sistemas de almacenamiento, etc.

INFORMÁTICA APLICADA

Representación de la información

« Me lo explicaron y lo olvidé, lo ví y lo aprendí, lo hice y lo entendí.»- Confucio -

Bibliografía

Informática aplicada. Programación en Lenguaje C:

− Capítulo 2 y 3

¿Qué es la información?

La Informática es «el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores »

Información: «secuencia de símbolos que pertenecen a un alfabeto y que representan algún hecho, concepto o idea»

E.g. número, frase, imágen, vídeo, música, etc. La información en un ordenador va codificada,

es decir, es transformada biunívocamente a otro conjunto de símbolos, interpretables por él

Codificación de la información

Los ordenadores actuales utilizan binario (0, 1), codificación basada en potencias de 2

El computador no es capaz de discernir el tipode información que guarda en memoria

Es tarea del programador darle la interpretacióncorrecta al número binario

El informática se usan también los sistemas de numeración octal y hexadecimal

Conversión a decimal

La conversión de un número 'N' en base 'b' a base decimal se calcula según el siguiente polinomio:

¿Cuántos valores se pueden representar con 'n' bits? ¿Cuántos bits se necesitan para representar un

número?

N = an* bn + an-1* bn-1 + … + a1* b1 + a0* b0 = ∑ai* bi

De binario a octal y hexadecimal

B O B H B H000 0 0000 0 1000 8001 1 0001 1 1001 9010 2 0010 2 1010 A011 3 0011 3 1011 B100 4 0100 4 1100 C101 5 0101 5 1101 D110 6 0110 6 1110 E111 7 0111 7 1111 F

B – BinarioO – OctalH – Hexadecimal

Conversión de decimal a otra base

Representación de números enteros

Enteros sin signo, signo y magnitud, sesgado, complemento a 1, complemento a 2, BCD, etc.

55 -55 MétodoSignomagnitud 00110111 10110111 El bit más significativo define el signo

-(2n-1-1) a 2n-1-1, dos ceros ¿?Sesgado 10110111 01001001 El número binario 0 se asigna a -2n-1

Ca1 00110111 11001000 Como signo y magnitud, magnitud invertido-(2n-1-1) a 2n-1-1, dos ceros ¿?

Ca2 00110111 11001001 Ca1 + 1-2n-1 a 2n-1-1, un cero

BCD 01010101 - Se codifica cada dígito en binario

8 bits

Representación de números reales

Son los más complicados de representar: parte entera finita y parte fraccionaria (in)finita

− Parte fraccionaria provoca pérdida de precisión, ya que el ordenador tiene precisión finita

− Existen valores que no se pueden expresar, como 1/3

La forma de representar los dos campos da lugar a dos tipos de representaciones: coma fija y coma flotante

Representación IEEE coma flotante

Precisión simple:

Precisión doble:

Signo Exponente Mantisa

23 bits8 bits1 bit

32 bits

Signo Exponente Mantisa

52 bits11 bits1 bit

64 bits

Representación de caracteres

Mediante tablas números-caracteres Primero ASCII (7 bits), luego ASCII extendido

(8 bits), actualmente Unicode (8, 16 y 32 bits)