11

B. Universidad Autónoma de PueblaB. Universidad Autónoma de Puebla

Lectura 1: Lectura 1: Conceptos BásicosConceptos Básicos

Algoritmos y ProgramaciónAlgoritmos y Programación

Primavera de 2006Primavera de 2006

Javier M HernándezJavier M Hernández

FCFM, BUAPFCFM, BUAP

22

AlgoritmoAlgoritmo: Un conjunto de instrucciones que describen como hacer una tarea (o proceso)

eureka!

ProgramaciónProgramación: C++, Fortran: C++, Fortran

33

TemasTemas

Componentes de hardware Redes de computadoras

44

TransistorTransistor

Base

Colector

Emisor

“semi-conductor”

Dígito binario o “bit”:0 off1 on

55

Transistor (cont)Transistor (cont)

Base

Colector

Emisor

off : 0

66

TransistorTransistor

Base

Colector

Emisor

on : 1

77

TransistorTransistor

Base

Colector

Emisor

“Chips” modernos (cerca de 3 x 3 mm en tamaño) pueden contener millones de transistores

88

GatesGates

• PuertaPuerta: un grupo de transistores: un grupo de transistores

• Gates son switches que distinguen entre dos Gates son switches que distinguen entre dos voltajes eléctricos:voltajes eléctricos:

– Corriente es baja => 0Corriente es baja => 0– Corriente es alta => 1Corriente es alta => 1

• Tipos: Tipos:

AND Gate OR Gate NOT Gate

99

A B

0 0

0 1

1 0

1 1

A AND B

A AND B

A

B

A

BA AND B

Ejemplo: AND GateEjemplo: AND Gate

1010

Gates y Algebra BooleanaGates y Algebra Booleana

A B

0 0

0 1

1 0

1 1

AND Gate

A AND B A OR B

OR Gate

1111

Gates y Algebra BooleanaGates y Algebra Booleana (cont)(cont)

A

0

1

NOT A

NOT Gate

1212

Gates y Algebra Booleana (cont)Gates y Algebra Booleana (cont)

A =

Una secuencia de bits a un tiempo:

1 1 0 0 1 1 0 1

B = 0 1 1 0 0 1 1 0

A AND B =

• La mayoría de las PCs realizan 32 bits a un tiempo (“máquinas de 32-bit”), otras tanto como 128 bits a un tiempo

1313

• Gates son las componentes básicas de las computadoras

0 or 1

1414

Componentes de Hardware de Componentes de Hardware de una Computadora Típicauna Computadora Típica

Dispositivos Periféricos

Central ProcessingUnit (CPU)

Memoria

• Los “Buses" permiten a los componentes pasar los datos uno al otro

1515

Componentes del HardwareComponentes del Hardware

Almacenamiento Secundario

Central Processing Unit

Arithmetic and Logic

Unit (ALU)

Control Unit (CU)

Memoria Principal

Teclado

Mouse

Pantalla

Impresión

AudífonoEscaner

Disco FloppyDisco Duro Cinta Magnética

1616

Hardware de ComputoHardware de Computo

MonitorMonitor

CD-ROMCD-ROM

MouseMouse

Hard DriveHard Drive

Bahia ExtraBahia Extra

Floppy DriveFloppy Drive

TecladoTeclado

CPUCPU

MemoriaMemoria

Tarjeta GraficaTarjeta Grafica

Conector GraficasConector Graficas

Memoria cacheMemoria cache

Tarjeta de redTarjeta de red

Tarjeta de AudioTarjeta de Audio

Slots AdicionalesSlots Adicionales

1717

Componentes de Hardware de Componentes de Hardware de una Computadora Típica - CPUuna Computadora Típica - CPU

Central Processing UnitCentral Processing Unit (CPU)(CPU)

• Realiza las operaciones básicasRealiza las operaciones básicas

• consiste de dos partes:consiste de dos partes:– Arithmetic / Logic Unit (ALU)Arithmetic / Logic Unit (ALU) – manipulación de datos – manipulación de datos– Control UnitControl Unit – coordina las actividades de la máquina – coordina las actividades de la máquina

MemoriaDispositivos Periféricos

Central ProcessingUnit (CPU)

1818

Central Processing Unit (CPU)Central Processing Unit (CPU)

• CPU es el “cerebro” de la computadora, que entiende y ejecuta CPU es el “cerebro” de la computadora, que entiende y ejecuta a los a los programas de computoprogramas de computo escritos en escritos en lenguaje de máquinalenguaje de máquina (a.k.a. (a.k.a. código de máquinacódigo de máquina))

• Componentes de un CPU:Componentes de un CPU:– Unidad de ControlUnidad de Control (UC): decodifica las instrucciones de máquna y (UC): decodifica las instrucciones de máquna y

envia las señales de control a los otros componentes para que realizen las envia las señales de control a los otros componentes para que realizen las instrucciones.instrucciones.

– Unidad Aritmética y LógicaUnidad Aritmética y Lógica (ALU): realiza la aritmética (suma, (ALU): realiza la aritmética (suma, subtracción, etc.) y operaciones lógicas (and, or, comparaciones, etc.)subtracción, etc.) y operaciones lógicas (and, or, comparaciones, etc.)

– RegistrosRegistros: locaciones de memoria de alta velocidad dentro del CPU, : locaciones de memoria de alta velocidad dentro del CPU, usada para guardar temporalmente las instrucciones actuales y los usada para guardar temporalmente las instrucciones actuales y los valores de los datos.valores de los datos.

• La circuitería de un CPU moderno consiste de millones de La circuitería de un CPU moderno consiste de millones de circuitos en miniatura manufacturados en una oblea de silicio circuitos en miniatura manufacturados en una oblea de silicio conocido como un conocido como un Circuito Integrado Circuito Integrado (IC) o (IC) o chipchip..

• MicroprocesadorMicroprocesador = un CPU completo en un solo chip. = un CPU completo en un solo chip.

1919

Componentes de Hardware de una Componentes de Hardware de una Computadora Típica - MemoriaComputadora Típica - Memoria

MemoriaMemoria Principal Principal• mantiene los programas y los datosmantiene los programas y los datos• almacena los bits en pedazos de tamaño fijo: “almacena los bits en pedazos de tamaño fijo: “wordword” (8, 16, 32, o ” (8, 16, 32, o

64 bits)64 bits)• cada word se guarda en una cada word se guarda en una celdacelda, que posee , que posee dirección unicadirección unica• las celdas se pueden accesar en cualquier orden =>las celdas se pueden accesar en cualquier orden =>

random-access memoryrandom-access memory o “RAM” o “RAM”

Dispositivos Periféricos

Central ProcessingUnit (CPU)

Memoria

2020

Componentes de Hardware de una Componentes de Hardware de una Computadora Típica - MemoriaComputadora Típica - Memoria

• La memoria computacional es comparable a una La memoria computacional es comparable a una colección de buzones de correo numeradas. Cada colección de buzones de correo numeradas. Cada celda de memoria tiene dos atributos importantes:celda de memoria tiene dos atributos importantes:

– dirección o locacióndirección o locación– contenido o valor, el cual se representa digitalmente como contenido o valor, el cual se representa digitalmente como

un número binarioun número binario

• La RAM reside en los circuitos integrados lo que requiere La RAM reside en los circuitos integrados lo que requiere energía para retener su contenido, asi la RAM es volatílenergía para retener su contenido, asi la RAM es volatíl

001010010010011010

Address Contenido

Conversión de base 2 a base 10: 1010012 =

1x25 + 0x24 + 1x23 + 0x22 + 0x21 + 1x20 = 32 + 0 + 8 + 0 + 0 + 1 = 4110

2121

Bits, Bytes, Kilo-, Mega-, Giga-, …Bits, Bytes, Kilo-, Mega-, Giga-, …

• Un Un bitbit: 0 o 1: 0 o 1

• Un Un wordword: conjunto de bits : conjunto de bits (8, 16, 32 o 64 bits)(8, 16, 32 o 64 bits)

• un un bytebyte = 8 bits = 8 bits

• un kilobyte = 2un kilobyte = 21010 bytes = 1024 bytes bytes = 1024 bytes

• un megabyte = 1024 KB = 2un megabyte = 1024 KB = 22020 bytes bytes = 1,048,576 bytes= 1,048,576 bytes

• un gigabyte = 1024 MB = 2un gigabyte = 1024 MB = 23030 bytes bytes

• un terabyte = 1024 GB = 2un terabyte = 1024 GB = 24040 bytes bytes

2222

Componentes de Hardware de una Componentes de Hardware de una Computadora Típica - PeriféricosComputadora Típica - Periféricos

Dispositivos Periféricos

Central ProcessingUnit (CPU)

Memoria

• Se comunican con el mundo exteriorSe comunican con el mundo exterior• Almacenan los datos a largo plazoAlmacenan los datos a largo plazo

– ventajas: mucha mayor capacidad, memoria no-volatílventajas: mucha mayor capacidad, memoria no-volatíl– desventajas: tiempo de acceso más lento (debido al desventajas: tiempo de acceso más lento (debido al

movimiento mecánico) movimiento mecánico)

2323

Periféricos que se Comunican con el Mundo Periféricos que se Comunican con el Mundo ExteriorExterior

Dispositivos Periféricos

Central ProcessingUnit (CPU)

Memoria

• Input/Output o Entrada/Salida (I/O)Input/Output o Entrada/Salida (I/O)– Input:Input: teclado, mouse, microfono, escaner, sensores teclado, mouse, microfono, escaner, sensores

(camara, infra-red) [convierten entrada a código digital](camara, infra-red) [convierten entrada a código digital]– Output:Output: video, impresoras, bocinas, etc video, impresoras, bocinas, etc

• ComunicaciónComunicación– modem, tarjeta ethernet o de red, tarjeta wireless, pcmciamodem, tarjeta ethernet o de red, tarjeta wireless, pcmcia

2424

Periféricos que Almacenan Datos a Largo PlazoPeriféricos que Almacenan Datos a Largo Plazo

Almacenamiento Secundario (masivo)Almacenamiento Secundario (masivo)

guardan la información por largos periodos de tiempo como guardan la información por largos periodos de tiempo como archivosarchivos

• Ejemplos:Ejemplos: hard drive, floppy disk, tape, CD-ROM (Compact hard drive, floppy disk, tape, CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory), DVD, USB HDDisk Read-Only Memory), DVD, USB HD

2525

Características de las Características de las Computadoras -- RapidezComputadoras -- Rapidez

• Rapidez del CPU Rapidez del CPU – Rapidez del reloj del CPU: en ciclos por segundo ("hertz")Rapidez del reloj del CPU: en ciclos por segundo ("hertz")

» Ejemplo: 2700MHz Pentium IVEjemplo: 2700MHz Pentium IV– pero diferentes diseños de CPU hacen diferentes cantidades pero diferentes diseños de CPU hacen diferentes cantidades

de trabajo en un ciclo del relojde trabajo en un ciclo del reloj– ““flops” (floating-point operations per second)flops” (floating-point operations per second)– ““mips” (million instructions per second)mips” (million instructions per second)

2626

Características de las Características de las Computadoras -- Rapidez (cont)Computadoras -- Rapidez (cont)

• Rapidez del reloj/bus del sistemaRapidez del reloj/bus del sistema– comunicación entre CPU, memoria y periféricos comunicación entre CPU, memoria y periféricos – depende del diseño de la tarjeta madre (a.k.a. "motherboard")depende del diseño de la tarjeta madre (a.k.a. "motherboard")

» Ejemplos: Ejemplos:

»Intel 2.50GHz Pentium-4 funciona con una Intel 2.50GHz Pentium-4 funciona con una rapidez de bus de 400MHz rapidez de bus de 400MHz

»50MHz, 60MHz, 66MHz, 100Mhz, 133MHz, y 50MHz, 60MHz, 66MHz, 100Mhz, 133MHz, y subiendosubiendo

2727

Características de las Características de las Computadoras -- Rapidez (cont)Computadoras -- Rapidez (cont)

• Rapidez de acceso a la memoriaRapidez de acceso a la memoria– RAMRAM

» Cerca a 60ns (1 nanosegundo = una billonésima de un Cerca a 60ns (1 nanosegundo = una billonésima de un segundo), y en incrementosegundo), y en incremento

» Puede ser marcada con respecto a “bus speed’’ (e.g., PC-Puede ser marcada con respecto a “bus speed’’ (e.g., PC-100)100)

– Memoria cacheMemoria cache» Más rápido que la memoria principal (cerca de 20ns de Más rápido que la memoria principal (cerca de 20ns de

rapidez de acceso), pero mas cararapidez de acceso), pero mas cara» contiene solo datos que usará el CPU a continuacióncontiene solo datos que usará el CPU a continuación

2828

Características de las Características de las Computadoras -- Rapidez (cont)Computadoras -- Rapidez (cont)

• Rapidez de los periféricosRapidez de los periféricos– Almacenamiento masivoAlmacenamiento masivo

» Ejemplos: Ejemplos:

»3.5in 1.4MB floppy disk: cerca 500kb/seg a 300 rpm 3.5in 1.4MB floppy disk: cerca 500kb/seg a 300 rpm (revoluciones por minuto)(revoluciones por minuto)

»3.5in hard disk: promedio del tiempo de búsqueda 8.5 3.5in hard disk: promedio del tiempo de búsqueda 8.5 microsegundos, y 7,200 rpmmicrosegundos, y 7,200 rpm

– ComunicacionesComunicaciones» Ejemplos: modems a 56 kilobits por segundo, y tarjetas de red a 10 o Ejemplos: modems a 56 kilobits por segundo, y tarjetas de red a 10 o

100 megabits por segundo100 megabits por segundo

– I/OI/O» Ejemplos: ISA, PCI, IDE, SCSI, ATA, USB, etc....Ejemplos: ISA, PCI, IDE, SCSI, ATA, USB, etc....

2929

Características de las Computadoras Características de las Computadoras -- Confiabilidad-- Confiabilidad

Factores que afectan la confiabilidad:Factores que afectan la confiabilidad:

• calor, ventilación, “over-clocking”, fallas de potenciacalor, ventilación, “over-clocking”, fallas de potencia

La mayoría de las fallas en los sistemas se deben a errores en el software mas que en el hardware

3030

Modos de comunicaciónModos de comunicación

• Comunicación en paralelo: Comunicación en paralelo: – todos los bits se transfieren al mismo tiempo todos los bits se transfieren al mismo tiempo – cada bit en una línea separada cada bit en una línea separada

01

• Comunicación serial: – un bit al tiempo

10110001

3131

Modems (Modems (MOMOdulator-dulator-DEMDEModulatorodulator))

MáquinaRemota

ModemMáquinaen casa

ModemDatoDigital

DatoDigital

Señal de audiopor líneas de tel

3232

Redes de ComputadorasRedes de Computadoras

• TiposTipos– Local Area Networks (LAN, Redes locales)Local Area Networks (LAN, Redes locales)

» LAN conectan a computadoras y otros dispositivos LAN conectan a computadoras y otros dispositivos localizadas de forma cercana (en un edificio) por localizadas de forma cercana (en un edificio) por medio de cablesmedio de cables

» Ventaja: el compartir la información y los recursos, Ventaja: el compartir la información y los recursos, tales como archivos, dispositivos de almacenamiento tales como archivos, dispositivos de almacenamiento secundario, impresoras, escaners, etc.secundario, impresoras, escaners, etc.

» El lab de AyP usa Sunrays conectadas en una El lab de AyP usa Sunrays conectadas en una LAN que comparte impresora y el servidor de LAN que comparte impresora y el servidor de archivos asi como el software del sistemaarchivos asi como el software del sistema

3333

Redes de Computadoras (cont)Redes de Computadoras (cont)

– Wide Area Networks (WAN)Wide Area Networks (WAN)» WANs conectan muchas computadoras individuales y WANs conectan muchas computadoras individuales y

LANs sobre una gran área geográfica, separada por LANs sobre una gran área geográfica, separada por cientos o miles de kmscientos o miles de kms

» Comunicaciones sobre distancias intermedias usan Comunicaciones sobre distancias intermedias usan líneas de teléfono; a gran distancia usan líneas de líneas de teléfono; a gran distancia usan líneas de teléfono o señales de microonda que pueden ser teléfono o señales de microonda que pueden ser reenviadas por satélite, además de fibra ópticareenviadas por satélite, además de fibra óptica

»Ejemplo: la WAN más conocida es el Ejemplo: la WAN más conocida es el “backbone” de Internet. Esta comenzó como “backbone” de Internet. Esta comenzó como un proyecto de una red del Departamento de un proyecto de una red del Departamento de Defensa de EU en 1969: ARPAnet.Defensa de EU en 1969: ARPAnet.

3434

Redes de ComputadorasRedes de Computadoras – Métodos – Métodos de Comunicaciónde Comunicación

• Cada computadora tiene una Cada computadora tiene una direccióndirección– Ejemplo: dirección IP de Ejemplo: dirección IP de www.fcfm.buap.mxwww.fcfm.buap.mx es es

148.228.125.1148.228.125.1

• Una computadora remitente transmite datos a travez Una computadora remitente transmite datos a travez de la red en de la red en paquetespaquetes; cada paquete se marca con las ; cada paquete se marca con las direcciones del destinatario y la de retornodirecciones del destinatario y la de retorno

– Cuando los datos son muy grandes para caber en un Cuando los datos son muy grandes para caber en un paquete, el remitente puede dividir los datos en varios paquete, el remitente puede dividir los datos en varios paquetes, marcados en secuenciapaquetes, marcados en secuencia

3535

Redes de ComputadorasRedes de Computadoras– Métodos – Métodos de Comunicación (cont)de Comunicación (cont)

• Los paquetes se envian por medio de links de Los paquetes se envian por medio de links de computadora a computadora (“computadora a computadora (“ruteamientoruteamiento”) ”)

• Cada computadora intermediaria recibe y Cada computadora intermediaria recibe y retransmite el mensaje (“retransmite el mensaje (“hopshops”)”)

– Los paquetes no necesariamente llegan en el orden en Los paquetes no necesariamente llegan en el orden en que fueron enviadosque fueron enviados

• La computadora receptora pone los paquetes en la La computadora receptora pone los paquetes en la secuencia correcta y recupera los datossecuencia correcta y recupera los datos

3636

SumarioSumario

• Transistors, gates, chips, hardware Transistors, gates, chips, hardware

• Computer = CPU + Memory + I/O DevicesComputer = CPU + Memory + I/O Devices

• Networks, modemsNetworks, modems

• Jargon and acronymsJargon and acronyms

3737

Computer SoftwareComputer Software

• Two main types of components of a computer system:Two main types of components of a computer system:– HardwareHardware: physical devices: physical devices– SoftwareSoftware: computer programs: computer programs

• Software classification according to its role and purpose:Software classification according to its role and purpose:– Operating system (OS)Operating system (OS): software responsible for directing all : software responsible for directing all

computer operations and managing all computer resources (hardware computer operations and managing all computer resources (hardware and software). OS works closely with the computer hardware. and software). OS works closely with the computer hardware.

– Application softwareApplication software: software used for a specific task such as word : software used for a specific task such as word processing, database management, environments for developing user processing, database management, environments for developing user programs, spreadsheets, etc. The applications are running on top of the programs, spreadsheets, etc. The applications are running on top of the OS using its services, and therefore must be compatible with it.OS using its services, and therefore must be compatible with it.

– User ProgramsUser Programs: developed by the users with the help of specialized : developed by the users with the help of specialized application software. Run on top of the OS. application software. Run on top of the OS.

3838

Operating SystemsOperating Systems

• Example of OS responsibilities:Example of OS responsibilities:– Communicating with the computer user: receiving commands and Communicating with the computer user: receiving commands and

carrying them out or rejecting them with an error messagecarrying them out or rejecting them with an error message– Managing allocation of memory, of processor time, and of other Managing allocation of memory, of processor time, and of other

resources for various tasksresources for various tasks– Collecting input from the input devices and providing this information Collecting input from the input devices and providing this information

to the currently running programto the currently running program– Conveying program output to the screen, printer or other output Conveying program output to the screen, printer or other output

devicesdevices– Reading/writing data from/to secondary storage.Reading/writing data from/to secondary storage.

• Widely used Operating SystemsWidely used Operating Systems– Unix, Linux, MS-DOS, OS/2, VMS, Macintosh OS, Windows 98, Unix, Linux, MS-DOS, OS/2, VMS, Macintosh OS, Windows 98,

Windows NTWindows NT

3939

Software de ComputoSoftware de Computo

HardwareAcceso directo a circuitos, discos,

mouse, teclado, monitor, etc.

Sistema OperativoSoftware que envia mensajes entre

las aplicaciones y el hardware

AplicacionSoftware que realiza operaciones de alto nivel (computacion, graficas,

etc.)

““Hey, OS!Hey, OS!

key ‘P’!”key ‘P’!”

““Hey, App!Hey, App!

key ‘P’!”key ‘P’!”Contact Contact sound & sound & graphics graphics

cardscards

Specify Specify resulting resulting audio & audio & videovideo