Propedéutico para Computación

Unidad 2

Hardware

2. Hardware

2.1 Definición y clasificación de las computadoras.

2.2 Estructura de una computadora.

2.3 Unidad de procesamiento central.

2.4 Memoria principal.

2.5 Memoria secundaria.

2.6 Dispositivos de entrada

2.7 Dispositivos de salida

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (1)

Mecanismo capaz de manipular y procesar datos. Una computadora se vale de instrucciones programadas (almacenadas) para guiar sus operaciones.

Dispositivo capaz de utilizar un programa almacenado [conjunto de instrucciones para resolver un problema al aceptar datos (entrada), realizar operaciones sobre los datos (procesamiento) y suministrar los resultados de estas operaciones (salida)].

Dispositivo de hardware electrónico que se adapta a un amplio rango de tareas de procesamiento de información.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (2)

Las computadoras pueden clasificarse de acuerdo a dos criterios: El tipo de datos que procesan

Analógicas Digitales Hibridas

La capacidad de cómputo Supercomputadora Macrocomputadora Minicomputadora Workstation Microcomputadora

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (3)

Tipos de datos que se procesan Datos analógicos

Se obtienen mediante algún instrumento de medición. Son datos continuos. Ejemplos: la velocidad de un automóvil es medida por

un velocímetro, la temperatura de un paciente por un termómetro.

Datos discretos Se obtienen como resultado de un conteo. Ejemplos: El número total de alumnos en la clase, el

valor total de una factura.

Datos analógicos y discretos

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (4)

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (5)

La computadora digital es un dispositivo de cálculo que procesa datos discretos y trabaja directamente contando números o dígitos que representan cifras, letras y otros símbolos especiales.

La computadora analógica trabaja con variables que están medidas en una escala continua y son registradas con un determinado grado de precisión.

La computadora hibrida es la combinación de las dos anteriores, es decir, procesa datos continuos y datos discretos.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (6)

Capacidad de cómputo: Supercomputadora Macrocomputadora Minicomputadora Workstation Microcomputadora

Desktop Laptop Palmtop

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (7)

Supercomputadora: Es lo máximo en computadoras, con

capacidades muy superiores a las comúnmente disponibles en la época en la que son construidas.

Son las más rápidas y por lo tanto las más caras.

Se utilizan para trabajos científicos, particularmente para crear modelos matemáticos del mundo real, es decir, para simulación.

Ejemplos de uso: Estudio de la energía y armas nucleares. Estudio y predicción de tornados, huracanes,

en general del clima en cualquier parte del mundo.

Búsqueda de yacimientos petrolíferos con grandes bases de datos sísmicos.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (7(a))

Supercomputadoras en México Cray XD1

Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica.

4.4 Terabytes de almacenamiento principal.

216 Gigabytes de RAM. 216 procesadores Opteron (900 mil

millones de operaciones por segundo).

Optimizada para Linux. Fortran 77, 90, 95. C/C++. Java.

La más poderosa en una institución académica en méxico y América Latina hasta el 8 de agosto de 2006.

Principales usos: modelación de patrones de clima, genómica, bioinformática, materiales avanzados.

Inversión de 1 millón de dólares.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (7(b))

Supercomputadoras en México Integrity Superdome, 1.5 GHz, HPlex

(06/2005) Banco Azteca

352 procesadores Instituto latinoamericano

256 procesadores SuperDome 875 MHz/HyperPlex (11/2003)

Integradora de Servicios Operativos (ISOSA) / Sistema de Administración Tributaria (SAT). 256 procesadores.

Netfinity Cluster PIII 1 GHz - Eth (06/2003) Pemex

1024 procesadores. Fire 15K Cluster (11/2002)

Grupo Electra 144 Procesadores.

IMSS 144 Procesadores

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (7(c))

Supercomputadoras en México … Integrity Superdome, 1.5 GHz, HPlex

(06/2002) Instituto Mexicano del Petróleo

252 procesadores HPC 10000 400 MHz Cluster (11/2001)

Telcel Radiomovil Dispa 192 procesadores.

SuperDome (11/2001) Telmex

64 procesadores. HPC 10000 400 MHz Cluster(06/2000)

Oil Company 80 Procesadores.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (8)

Macrocomputadora También se conoce como mainframe. Son grandes, rápidos y caros. Capaces de controlar a cientos de

usuarios simultáneamente, así como a cientos de dispositivos de entrada y salida.

Su principal función es controlar grandes cantidades de datos rápidamente. Estos datos están disponibles a los usuarios del macrocomputador o a través de microcomputadoras conectados a él.

Son utilizados por el gobierno, los bancos, las universidades, las líneas aéreas, compañías de seguros, etc.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (9)

Minicomputadoras. Surgieron en los 60’s y son una versión más

pequeña de los macrocomputadores. Esta orientada a tareas específicas como el

manejo de las telecomunicaciones. No requiere de todos los dispositivos de los

que requiere un mainframe, por lo tanto se reduce su precio y costo de mantenimiento.

Es un sistema multiproceso (varios procesadores en paralelo), capaz de soportar desde 10 hasta 200 usuarios simultáneamente.

Actualmente se utilizan como servidores para almacenar grandes bases de datos, automatización industrial y aplicaciones multiusuario.

Su mercado ha disminuido desde que aparecieron las microcomputadoras.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (10)

Workstation Es una estación de trabajo. En si es una computadora de

escritorio que tiene el poder de una minicomputadora, pero a una fracción de costo.

Es muy común entre personas que requieren gran cantidad de cálculos (científicos, bursátiles, ingeniería, CAD).

Aunque las estaciones de trabajo son capaces de dar servicios a otros usuarios, comúnmente solo las utiliza uno.

2.1 Definición y clasificación de las computadoras (11)

Microcomputadora. Es conocida también como computadora

personal (PC). Gracias a los microprocesadores es la más

pequeña, barata y popular en el mercado. Puede funcionar como una unidad

independiente o estar conectada a una red con otras microcomputadoras.

Es posible ejecutar en ellas las mismas operaciones y usar los mismos programas que en otras computadoras superiores, aunque con un menor desempeño.

Existen varios tipos de microcomputadoras: Desktop, lo que se conoce como la PC de

escritorio. Laptop o Notebook, que es la que se puede

mover con facilidad ya que es portátil. Palmtop, es una computadora del tamaño de una

calculadora de mano.

2.2 Estructura de una computadora (1)

De forma general y bajo el control de un programa (conjunto ordenado de instrucciones), una computadora puede visualizarse como una máquina capaz de:

1. Aceptar datos de entrada.

2. Procesar los datos (realizar operaciones lógicas y/o aritméticas).

3. Proporcionar el resultado del procesamiento.

2.2 Estructura de una computadora (2)

Dispositivos de entrada

CPU (Unidad de Procesamiento

central)

Dispositivos de salida

Esquema general de una computadora bajo el control de un programa

2.2 Estructura de una computadora (3)

Sin embargo, tal como fuera descrito en el modelo de la máquina diferencialde Babbage, e implementado en el diseño de John von Neumann, además delas tres funciones anteriores la computadora debe ser capaz de almacenarinformación (datos) e instrucciones (programas), por lo que un esquema másgeneral sería

Dispositivos de entrada

CPU (Unidad de Procesamiento

Central)

Dispositivos de salida

Memoria Externa

Memoria Interna

2.2 Estructura de una computadora (4)

En 1945, John von Neumann presentó el diseño conceptual que especifica cómo debería funcionar una máquina programable de propósito general, capaz de procesar información. Básicamente la máquina debe tener dos características: Los datos y los programas se guardan en la

memoria en formato binario (0’s y 1’s). La máquina debe ser controlada por un

conjunto de instrucciones con un pequeño número de elementos centrales de proceso.

2.2 Estructura de una computadora (5)

Esquema funcional de la máquina de Neumann

Unidad de Procesamiento Central (CPU)

Memoria Interna (Principal)

Unidad de Control (CU)

Dispositivos de

Entrada

Dispositivos de Salida

d

i /d i /d

c

c

c

Unidad Aritmético

Lógica (ALU)

i

c

ci

2.3 Unidad de Procesamiento Central (1)

El término CPU es un acrónimo del Inglés Central Processing Unit.

Es considerado el “cerebro” de la computadora ya que controla y realiza la mayoría de las operaciones que se llevan a cabo.

Los términos CPU, Microprocesador y Procesador, suelen utilizar como sinónimos.

2.3 Unidad de Procesamiento Central (2)

Elementos principalesde una computadora

Computadora

Memoria E/S

Sistemade Buses

CPU

Registros ALU

InterconexiónInterna del

CPU

CU

Unidad de Procesamiento

Central

Elementos PrincipalesDel CPU

2.3 Unidad de Procesamiento Central (3)

En todo procesador para PC se distinguen dos partes básicamente: La unidad de control

CU y Registros La unidad de tratamiento

ALU y Registros

2.3 Unidad de Procesamiento Central (4)

La Unidad de Control (CU), se encarga de controlar la operación de los componentes del CPU, y también la operación de los elementos externos a él, mediante la generación y envío de señales de control. Controla la secuencia de instrucciones a ser ejecutadas. Controla el flujo de datos entre las diferentes partes que forman un

ordenador. Interpreta las instrucciones. Regula el tiempo de acceso y ejecución en el procesador. Envía y recibe señales de control de periféricos externos.

Unidad de Procesamiento Central (CPU)

Memoria Interna (Principal)

Unidad de Control (CU)Dispositiv

os de Entrada

Dispositivos de Salida

d

i /d

i /d

i

c

c

c

Unidad Aritmético

Lógica (ALU)i

c

Registros ALU

InterconexiónInterna del

CPU

CU

Unidad de Procesamiento

Central

2.3 Unidad de Procesamiento Central (5) Los elementos de la unidad de control que desempeñan

tareas específicas son: Decodificador de Instrucciones.

Es la unidad que interpreta el contenido del registro de instrucciones y permite generar las señales adecuadas para ejecutar la instrucción.

Decodificador de direcciones. Es la unidad que interpreta la dirección en el Registro de

Direcciones de Memoria (MAR) y selecciona la posición de memoria a ser accedida.

Registros en la UC. Son elementos de almacenamiento temporal de valores durante la

ejecución de un programa. Contador de Programa (PC). Guarda la dirección de la siguiente

instrucción a ser ejecutada. Registro de instrucciones (IR). Contiene la instrucción en curso de

ejecución. Registro de Estado (SR). Mantiene información de los bits de estado o

“flags” con información sobre lo que ha pasado en la operación realizada por la ALU.

Registro de Direcciones de Memoria (MAR). Guarda la dirección del dato que va a ser accedido en la memoria.

2.3 Unidad de Procesamiento Central (6)

La Unidad de Tratamiento es un conjunto de recursos utilizados para trabajar con los datos realizando operaciones sobre ellos y obteniendo resultados intermedios o finales. Los elementos que forman dicha unidad son: La Unidad Aritmético-Lógica (ALU).

Es la encargada de realizar operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación), operaciones lógicas (NOT, AND, OR, etc.). Internamente esta formada por circuitos lógicos elementales para realizar estas operaciones (sumadores, incrementos, operadores lógicos, desplazamientos, comparaciones, etc.)

Registros en la unidad de tratamiento. Tienen la función de almacenar temporalmente datos durante la

ejecución de un programa. Acumulador. Almacena los resultados parciales y resultado final de la

operación realizada por la ALU. Registros de propósito general. Permiten guardar información temporal

durante la ejecución del programa. Entre estos registros están los operandos.

2.3 Unidad de Procesamiento Central (7)

En un esquema de alto nivel y desde el enfoque de la ejecución de un programa podemos ver a los elementos principales de la siguiente forma:

Módulo de E/S

Registros

PC

IR

MAR

AC

CPU Memoria…

…

Instrucción

Instrucción

Instrucción

Instrucción

…

Dato

Dato

…

Bus

Bus

Bu

s

FININICIOCaptación dela instrucción

Ejecución dela instrucción

Ciclo de Instrucción Básico

Ciclo deEjecución

Ciclo deCaptación

2.3 Unidad de Procesamiento Central (8)

Por cada instrucción de un programa que se esta ejecutando el sistema recorre una serie de etapas que se divide en dos ciclos: Ciclo de captación.

El objetivo es obtener el código de la siguiente instrucción a ejecutar. Los pasos son Captar la instrucción de memoria principal. Decodificar el código de la instrucción. Incrementar el contador de programa (PC++).

Ciclo de ejecución. Interpretada la instrucción se envían las señales de control

necesarias para ejecutarla. Los pasos son: Se obtienen los datos implicados en la instrucción si es

necesario. Se ejecuta la instrucción (se realizan las operaciones

directamente con los datos).

2.3 Unidad de Procesamiento Central (9)

Diagrama de estados del ciclo de instrucción

Cálculo dela dirección dela instrucción

Captación de la

instrucción

Decodificaciónde la

instrucción

Cálculo dela dirección del operando

Captación del

operando

Operacióncon losdatos

Cálculo dela dirección del

operando

Almacenamientodel

operando

Variosoperandos

Variosresultados

Cadena o vector de datosInstrucción completadaCaptar la siguiente instrucción

EJECUCIÓNCAPTACIÓN

PC++

IR=*(PC) MBR=[IR]

2.3 Unidad de Procesamiento Central (10)

Desde que apareció el microprocesador el crecimiento de la densidad se refleja en la famosa Ley de Moore (cofundador de Intel) y enuncia que: El numero de transistores que se integran en un solo chip se duplicaría cada año. En los últimos años este ritmo disminuyó de 12 a 18 meses.

Procesador Año No. Transistores Tec. Micras

4004 1971 2250 10.00

8086 1978 3500 10.00

80286 1982 134000 1.50

386 1985 275000 1.00

486 1989 1200000 0.80

Pentium 1993 3100000 0.80

Pentium II 1997 7500000 0.35

PIII 1999 28000000 0.18

P4 2002 55000000 0.13

Core Duo 2006 151000000 0.09

2.4 Memoria principal (1)

La memoria principal (primaria) es el componente de la computadora que almacena los datos y las instrucciones. Esta formada por circuitos electrónicos integrados capaces de almacenar valores binarios en cada celda de memoria, es decir, en cada bit.

Una forma de representar gráficamente la memoria es mediante una secuencia de celdas contiguas.

Memoria…

…

Instrucción

Instrucción

Instrucción

Instrucción

…

Dato

Dato

…

2.4 Memoria principal (2)

La memoria principal puede clasificarse en dos tipos: Memorias de tipo ROM

Memorias de Solo Lectura. La mayoría de estas memorias almacenan códigos

grabados en fabrica. Se caracterizan por ser no volátiles.

Memorias de tipo RAM. Memorias de Acceso Aleatorio. Se caracteriza por contener información volátil. Es posible leer y escribir directamente en este tipo de

memorias de forma eléctrica.

2.4 Memoria principal (3)

Variantes de las memorias de tipo ROM. ROM (solo lectura) PROM (ROM programable una vez) EPROM o RPROM (ROM reprogramable) EEPROM o EAROM (ROM borrable y escribible

electrónicamente) Memoria Flahs (Forma evolucionada de EEPROM)

Variantes de las memorias de tipo RAM. DRAM (RAM dinámica) SRAM (RAM estática) VRAM (RAM accesible por dos dispositivos).

2.4 Memoria principal (4)

ROM (Read Only Memory). Es una memoria que no se puede escribir sobre ella y

conserva intacta la información almacenada aún sin estar energizada.

La información se escribe en el proceso de fabricación. Almacena la configuración de arranque del sistema (BIOS).

PROM (Programmable Read Only Memory). Es una ROM programable de una sola vez. Utiliza una matriz de diodos que pueden ser quemados una

sola vez con equipo especial para almacenar la información. Generalmente son utilizadas para grabar datos permanentes.

EPROM (Erasable PROM) o RPROM (Reprogramable PROM). El contenido de estas memorias puede borrarse mediante

rayos ultravioletas, para posteriormente volver a reprogramarlas.

2.4 Memoria principal (5) EEPROM (Electrically Erasable PROM) o EAROM

(Electrically Alterable ROM) . Son memorias que pueden ser programadas, borradas y

reprogramadas eléctricamente, a diferencia de las EPROM que tienen que utilizar rayos ultravioletas.

Aun que pueden ser leídas un número ilimitado de veces, solo pueden ser borrada y reprogramada de 100 mil a 1 millón de veces.

Son memorias que están entre las RAM y las ROM. Se diferencian de las RAM en que son no volátiles.

Memoria FLASH Es una forma evolucionada de memoria EEPROM que

permite que múltiples posiciones de memoria sean escritas o borradas en una misma operación de programación mediante impulsos eléctricos.

Como evolución de las ROM su contenido no se pierde si se suspende el suministro de energía.

2.4 Memoria principal (6)

RAM (Random Access Memory). Pierde su contenido al suspender e suministro de energía (es

volátil). Normalmente se utiliza como memoria temporal para almacenar

resultados intermedios y datos no permanentes. El acceso se realiza a nivel byte mediante un cableado interno y

es aleatoria porque los accesos son independientes entre sí. Es uno de los componentes más importantes de los actuales

equipos de cómputo. Los módulos de memoria están disponibles en diferentes

encapsulados como son: DIP, SIPP, SIMM, DIMM y DDR DIMM.

2.4 Memoria principal (7)

DRAM (Dinamic Random Access Memory). Ventajas:

Costo bajo en comparación con otras tecnologías. Prestaciones suficientemente rápidas para los procesadores

en las que son utilizadas. Desventajas:

Es necesario refrescar la memoria cientos de veces por segundo.

Consumen una gran cantidad de energía y requieren un control constante.

Diferentes tecnologías: DRAM (Dinamic RAM, i386, SIMM o DIMM). SDRAM (Sinchronous Dimaic Ram, misma velocidad que el

sistema, DIMM-168, PII, PC66, PC100, PC133). DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM, envía datos dos

veces por cada ciclo de reloj, DIMM-184, DDR200, DDR266, DDR 333, Athlon, P4).

2.4 Memoria principal (8)

SRAM (Static Random Access Memory). A diferencia de la DRAM no es necesario refrescar los

datos. Sin embargo, si es necesario mantener energizada la memoria para que los datos permanezcan.

Requiere de 6 transistores por bit (flip-flop), lo que las hace memorias más caras que las DRAM.

El uso principal esta en las memorias de tipo cache que se encuentran en los CPU.

Tienen una capacidad muy reducida (64 KB – 1024 KB). VRAM

Es la memoria que utiliza el controlador de gráficos para manejar la información visual.

La principal característica de esta memoria es que es accesible simultáneamente por dos dispositivos. Así es posible que el CPU grabe datos en ella, mientras se lee información que será visualizada en la pantalla.

2.4 Memoria principal (9)

La memoria de una computadora tiene una organización jerárquica. A medida que se asciende sobre

la jerarquía la velocidad de acceso se incrementa y también el costo, pero también se disminuye la capacidad.

A medida que se desciende aumenta la capacidad y disminuye el costo, pero se incrementa el tiempo de acceso.

+RAM

Registros

PC IR

Memoria Cache

L1L2

Memoria Primaria

Memoria Secundaria

HDD CD

DVD

+

-

Velocidad de

acceso

y costo

-

Capacidad

de alm

acenam

iento

2.5 Memoria Secundaria (1)

La memoria secundaria es un conjunto de dispositivos periféricos para el almacenamiento masivo de datos en un computador, con mayor capacidad que la memoria principal, pero más lenta que ésta.

El acceso a la mayoría de estos dispositivos es generalmente cuasi-aleatorio o secuencial, a diferencia de la memoria principal. Ello se debe, por lo general, a la presencia de elementos mecánicos.

Los dispositivos mayormente utilizados son: Cintas magnéticas Discos magnéticos Discos ópticos Memorias electrónicas

2.5 Memoria Secundaria (2)

Cintas magnéticas La información se almacena de

forma secuencial a lo largo de la cinta en distintas pistas paralelas o a lo ancho de la cinta.

El medio en si es una cinta de plástico cubierta por un óxido mágnetico.

Es posible almacenar datos, imágenes, audio, video, etc. Pero se almacenan y recuperan de forma secuencial.

Son de gran utilidad en el respaldo de archivos.

Algunas tienen capacidad hasta de 600 MB.

2.5 Memoria Secundaria (3)

Discos magnéticos Es un plato circular construido con metal

o plástico, cubierto por un material magnetizable.

Los datos se graban aprovechando las propiedades magnéticas del material.

La escritura y la lectura se realizan a través de una bobina llamada cabeza. Durante la escritura la cabeza permanece fija mientras que el disco rota bajo ella. En la escritura se envían pulsos a la cabeza, y se graban patrones magnéticos bajo ella.

Los medios de este tipo son: Discos duros (HD o HDD). Disquete (floppy). Discos Zip.

2.5 Memoria Secundaria (3)

Discos ópticos La información se almacena en forma digital. Sobre una capa de plástico se marca con un

haz láser los agujeros que posteriormente detectará la unidad lectora.

Esta técnica permite disponer de grandes cantidades de información en un espacio reducido.

Medios de este tipo: CD-ROM CD-RW DVD +/- R DVD +/- RW

2.6 Dispositivos de entrada (1)

Son los que envían datos al sistema, en código binario, para ser procesados por el CPU.

Permiten la interacción con la computadora al aceptar datos de entrada.

Dispositivos de entrada comunes son: Teclado Ratón Escáner Cámara Web Micrófono Lector de código de barras Joystick Lápiz óptico Pantalla táctil Tableta digitalizadora

2.6 Dispositivos de entrada (2)

Teclado

2.6 Dispositivos de entrada (3)

Ratón

2.6 Dispositivos de entrada (4)

Escáner

2.6 Dispositivos de entrada (5)

Cámara Web

2.6 Dispositivos de entrada (6)

Lector de código de barras

2.6 Dispositivos de entrada (7)

Joystick

2.6 Dispositivos de entrada (8)

Lápiz óptico, Pantalla táctil y Tableta digitalizadora

2.7 Dispositivos de salida (1)

Aportan, muestran, o de alguna forma presentan los datos procesados por la computadora.

Es una forma de interacción con el usuario para saber el resultado del procesamiento de la información.

Entre los dispositivos de salida más comunes están: Pantalla (monitor) Impresora Bocinas

2.7 Dispositivos de salida (2)

Pantallas (monitores): CRT y LCD

2.7 Dispositivos de salida (3)

Impresoras Láser Chorro de tinta Matriz de puntos Plotter

2.7 Dispositivos de salida (4)

Impresora láser