SISTEMAS OPERATIVOS MONOPUESTO

Sistemas Microinformaticos y Redes (SMR)

ARTURO MARTÍN ROMERO

UD1.- INTRODUCCIÓN

CONCEPTOS

− Componentes físicos (Hardware)

- Arquitectura básica: CPU, UAL, Memoria Principal.

- Procesador. Funciones, componentes, tipos y características.

- Memoria. Tipos.

- Placa base. Componentes. Buses.

- Esquema básico de funcionamiento.

- Ciclo de instrucción.

- Comunicación del microprocesador.

− Componentes lógicos (Software)

- Sistemas de codificación.

Software. Componentes y funciones.

BIBLIOGRAFÍA:

“Introducción a la Informática”

Alberto Prieto Espinosa

Ed.Mc Graw Hill

DEFINICIONES PREVIAS

INFORMÁTICA: LA CIENCIA DEL TRATAMIENTO RACIONAL, POR MEDIO DE MÁQUINAS AUTOMÁTICAS, DE LA INFORMACIÓN, CONSIDERADA ÉSTA COMO SOPORTE DE LOS CONOCIMIENTOS HUMANOS Y DE LAS COMUNICACIONES, EN LOS CAMPOS TÉCNICO, ECONÓMICO Y SOCIAL (TRATAMIENTO AUTOMÁTICO DE LA INFORMÁCIÓN).

ORDENADOR: MÁQUINA ÚTIL Y ESPECÍFICA PARA EL TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN ⇒ PROGRAMAS.

“AQUELLAS TAREAS EN LAS QUE LOS ACTUALES COMPUTADORES Y ROBOTS RESULTAN MÁS INEFICACES SON PRECISAMENTE LAS QUE MÁS FÁCILMENTE RESUELVEN LOS ORGANISMOS BIOLÓGICOS”.

ARQUITECTURA VON NEUMANN

HISTORIA

GENERACIÓN 0.- COMPUTADORAS MECÁNICAS Y

ELECTROMECÁNICAS (1642-1945)

Blaise Pascal – Dispositivo capaz de sumar y restar (1642)

Gottfried Leibniz – Dispositivo capaz de multiplicar y dividir (1672)

MÁQUINA DE DIFERENCIAS DE BABBAGE

Ada Lovelace – Primera máquina programable, mediante tarjetas perforadas

HISTORIA

GENERACIÓN 1.- VÁLVULAS DE VACÍO

ELECTRÓNICAS (1945-1955)

ENIAC (Impulso dado por la 2ª Guerra Mundial)

Estructura de máquina de John Von Neumann

HISTORIA

GENERACIÓN 2.- DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

EL TRANSISTOR (1955-1965)

PDP-1 Y PDP-8

(Digital Equipment Corporation, DEC)

HISTORIA

GENERACIÓN 3ª - 4ª y 5ª.- CIRCUITOS INTEGRADOS

SSI Y MSI, LSI, VLSI Y PC (1965-....)

ARQUITECTURA BÁSICA DE UN ORDENADOR

ESTRUCTURA DE VON NEUMANN

MEMORIA PRINCIPAL

Unidad de Control

(UC)

Unidad Aritmético-Lógica

(UAL)

RegistrosPERIFERICOS

DE SALIDA

PERIFERICOS DE ENTRADA

CPU

BUSES

SISTEMA MICROPROCESADOR

µP

BLOQUE Nº 1.- INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS INFORMÁTICOS

ARQUITECTURA BÁSICA: CPU, UAL, MEMORIA PRINCIPAL.

PROCESADOR. FUNCIONES, COMPONENTES, TIPOS Y CARACTERÍSTICAS.

MEMORIA. TIPOS. PLACA BASE. COMPONENTES. BUSES. ESQUEMA BÁSICO DE

FUNCIONAMIENTO. CICLO DE INTRUCCIÓN. COMUNICACIÓN DEL

MICROPROCESADOR.

HARDWARE SISTEMAS DE CODIFICACIÓN. SOFTWARE. COMPONENTES Y

FUNCIONES.

SOFTWARE

CPUUNIDAD DE CONTROL

La unidad de control es el centro nervioso de la CPU, desde ella se controlan y gobiernan todas las operaciones.

Recibe la información, la transforma e interpreta, enviando las órdenes precisas a elementos que las requieren para un procesamiento correcto de los datos.

Generar la secuencia adecuada de órdenes para el resto de elementos funcionales que constituyen el ordenador, de manera que cada instrucción se ejecute correctamente.

Reloj: proporciona una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes (frecuencia constante), que marcan los instantes en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción. Al intervalo que hay entre impulso e impulso se le llama ciclo.

Circuito de Control: es el elemento primordial de la unidad de control, es el encargado de generar todas las señales de control que gobiernan el computador. Analizándolo internamente cabe distinguir, por la especial contribución a su funcionamiento, los bloques siguientes:

DECODIFICADOR Y SECUENCIADOR.

CPUELEMENTOS DE LA UNIDAD DE CONTROL

CPUUNIDAD ARITMÉTICO LÓGICA

Esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético (sumas, restas) y de tipo lógico (comparaciones), es decir efectúa los cálculos necesarios para el desarrollo del programa. Los datos con los que realiza estos cálculos los suministra la unidad de control desde los registros y, asimismo, los resultados obtenidos de estos cálculos son almacenados nuevamente en los registros.

CPUREGISTROS

Todas las operaciones de la CPU necesitan coger y dejar datos de la memoria principal. La situación de los datos en esta es diferenta cada vez, por tanto, programar la CPU podría resultar algo complejo. Para simplificar todo esto, todos los datos que se requieren para las operaciones se sitúan en la memoria interna del procesador (los registros) y se trabaja con ellos: RI, CP, Registro de Estado, Acumuladores, Registros de direcciones y datos. Según su juego de instrucciones: RISC o CISC.

SISTEMA MICROPROCESADORBUSES DEL SISTEMA

Para que la CPU pueda comunicarse con los diferentes componentes que forman el ordenador es necesaria la existencia de canales básicos, denominados buses.

Bus de datos: es utilizado para transferir los datos entre los diferentes elementos del computador. El ancho de este bus coincide con el ancho de palabra con el que trabaja el computador, que suele coincidir con el ancho de palabra de la memoria.

Bus de direcciones: se utiliza para transferir sólo direcciones, desde los elementos que las generan (situados en la unidad central de proceso) hasta la memoria, normalmente. El ancho de este bus está relacionado con el tamaño de la memoria del computador.

Bus de control: la información que se transfiere por este bus suele tener en común que normalmente se trata de señales de control para los diferentes elementos del computador, como pueden ser las señales de lectura o escritura de la memoria, las señales de control de la entrada/salida….

SISTEMA MICROPROCESADORBUS DEL SISTEMA (FRONT SIDE BUS)

Toda la información que circula por un ordenador moderno lo hace por un bus especial, es el conocido como Bus del sistema, el cual proporciona al procesador acceso al resto del PC y arbitra las peticiones de servicio que además del procesador realizan otros componentes del ordenador. La velocidad del bus determina lo rápido que pueden realizar las transferencias de datos con el chipset y, fundamentalmente, con la memoria RAM del sistema.

ISA tenía una velocidad de 8 MHz. VESA Local Bus permitía una velocidad de hasta 50 MHZ. PCI admite una velocidad de 133 MHz. Última Generación: PCI-Express, Infiniband y

HyperTransport (200MHz – 3.2GHz)

TOPOLOGÍAS DE BUS

TOPOLOGÍAS DE BUS

DESCRIPCIÓN FISICA DE UN ORDENADOR PERSONAL (PC)

DESCRIPCIÓN FISICA DE UN ORDENADOR PERSONAL (PC)

µP

DESCRIPCIÓN FISICA DE UN ORDENADOR PERSONAL (PC)

Slots de Expansión

DESCRIPCIÓN FISICA DE UN ORDENADOR PERSONAL (PC)

FA

DESCRIPCIÓN FISICA DE UN ORDENADOR PERSONAL (PC)

Memoria RAM

DESCRIPCIÓN FISICA DE UN ORDENADOR PERSONAL (PC)

Disco Duro

CD-ROM

DESCRIPCIÓN FISICA DE UN ORDENADOR PERSONAL (PC)

ESTRUCTURA GENERAL

MEMORIA CENTRAL O PRINCIPAL

Es un dispositivo donde se almacenan las instrucciones y los datos necesarios para que un determinado proceso pueda ser realizado. Está constituida por una multitud de celdas o direcciones de memoria, numeradas de forma consecutiva, capaces de retener la información necesarias, mientras la computadora esté conectada.

El número que tiene asignado cada celda es su dirección de memoria y es el que utiliza el bus de direcciones para acceder a su contenido.

Las operaciones básicas que se pueden realizar en una memoria son las de lectura y escritura.

TIPOS DE MEMORIA

− ROM (Read Only Memory), memoria de solo lectura, sirven para almacenar información permanente en una máquina. Suelen tener programas de arranque y configuración para el ordenador. Normalmente no pueden modificarse.

Tipos de memorias ROM:

. PROM (Programmable Read Only Memory). Cuando es adquirida no tiene fijado su contenido y permite programarse una sola vez; una vez decididas sus características e instalada, se convierte en una ROM normal.

EPROM y EEPROM (Erase Programmable Read Only Memory). Puede borrarse y reprogramarse varias veces; para ello se necesitan técnicas especiales de borrado y escritura. Las EPROM pueden borrarse mediante rayos ultravioletas y las EEPROM mediante corrientes eléctricas. (BIOS)

TIPOS DE MEMORIA

− RAM (Random Access Memory), memoria de acceso aleatorio, es de lectura/escritura y sirve para almacenar datos/instrucciones. Es modificable, pero tiene la característica de ser volátil.

Es la que se utiliza como memoria principal de un ordenador.

Los distintos tipos de memoria RAM que podemos encontrarnos son:

DRAM: Dinamic-RAM, o (o RAM a secas), es la original y por tanto la más lenta. Usada hasta la época del 386, su velocidad de refresco típica es de 80 a 70 nanosegundos (ns), tiempo que tarda en vaciarse para poder dar entrada a la siguiente serie de datos.

EDO-RAM: (Extended Data Output-RAM). Permite empezar a introducir nuevos datos mientras los anteriores están saliendo, lo que la hace algo más rápida.

.

TIPOS DE MEMORIASDRAM: Sincronic-DRAM. Funciona de manera sincronizada con la velocidad de la placa (de 50 a 133 Mhz), para lo que debe de ser rapidísima, de unos 25 a 10 ns.

DDR SDRAM: Double Data Rate SDRAM. Con características similares a la SDRAM pero la trasferencia de información se realiza tanto en la subida de la señal del reloj como en la bajada (en las SDRAM solo en la subida) por lo que se duplica su velocidad de trasferencia (hasta 266 MHz)

RDRAM: RAMBUS Dinamyc RAM. Tipo de memoria propietario de la marca RAMBUS para los nuevos pentium 4. Al igual que las memorias DDR transfieren información en los dos límites de la señal del reloj y funcionan en buses mucho más rápidos que los sistemas anteriores jhasta 533 MHZ) por lo que su frecuencia de trasferencia es de hasta 1066 MHz. Sin embargo su tiempo de latencia (tiempo que tarda en empezar a realizar la trasferencia) es mayor que en las SDRAM o DDR.

TIPOS DE RAM

La RAM puede conectarse a la placa directamente (los diferentes chips se sueldan a la placa o se colocan en zócalos colocados para ella) que es como se conectaba antiguamente o bien en placas especiales colocadas en ranuras de memoria. Según las ranuras podemos establecer la siguiente clasificación:

. DIMM. Utilizados para la DRAM en dos formatos, 30 y 72 contactos y para la EDO-RAM solo en 72 contactos.

. SIMM. Utilizados para la SDRAM con 168 contactos. Utilizado hasta Pentium III y algunas placas de Pentium 4.

. DDR DIMM. 184 contactos para DDR SDRAM. Utilizado por Pentium III y Pentium 4.

RIMM. Para RDRAM con 184 contactos. Utilizado por Pentium 4 con el chipset adecuado. Como característica a tener en cuenta, no se puede dejar ningún banco RIMM vacío, lo que no se llenen con módulos de memoria RDRAM deben rellenarse con unas PCB (placas) que permitan completar el circuito necesario para la trasferencia de información.

MEMORIA CACHÉLa memoria caché es un tipo especial de memoria RAM. Es una

memoria de acceso rápido, destinada a contener información que se utiliza con frecuencia en un proceso con el fin de evitar accesos a otras memorias, reduciendo el tiempo de espera. Se utiliza de puente entre el microprocesador y la memoria RAM.

Existen dos tipos de memoria caché:

L1. Caché de primer nivel o caché interna, es decir, la que está más cerca del micro, tanto que está encapsulado junto a él. Todos los micros de Intel desde el 486 tienen esta memoria. Es la memoria más rápida que existe y también la más cara.

L2. También se la conoce como caché de segundo nivel o caché externa. La tienen todos los ordenadores con procesador Intel desde el 486, excepto algunos Celeron.

Puede residir en la placa base, en el soporte sobre el que vaya soldado el microprocesador o en la placa del propio procesador (en los Pentium II y posteriores).

LA PLACA BASE Y LA F.A.

La placa base es el lugar al que se conectarán, de una manera u otra, todos los elementos del ordenador. En ella encontraremos, sobre todo, circuitos para que puedan comunicarse y conectores para los elementos externos.

Principalmente la placa base vendrá condicionada por el procesador que vamos a utilizar. En función de éste se definirán dos de los elementos más importantes de la placa, el zócalo del procesador (lugar donde se conecta) y el chipset.

También es interesante conocer una terminología que afecta, entre otros, a los modos de alimentación de la placa. Hasta hace pocos años, las placas venía en lo que se conocía como formato AT (del original IBM AT). Actualmente, vienen en formato ATX que permite una gestión de la energía más eficiente.

PLACA BASE O TARJETA MADRE

ZÓCALOS PARA EL PROCESADOR

Las placas que nos vamos a encontrar, en función de su tipo de conexión del procesador, son las siguientes.

− PGA: usado en el 386 y 486; consiste en un cuadrado de conectores en forma de agujero donde se insertan las patitas del chips por presión. Existe una versión en la que el zócalo dispone de un sistema para introducir y retirar el procesador sin necesidad de efectuar una fuerza excesiva que pueda doblar las patas, es lo que se conoce como ZIF (Zero Insertion Force).

− Socket 7. Para procesadores Pentium y Pentium MMX (y sus compatibles). Existe una versión denominada Super 7 que soporta características de placas más modernas que no hacen los originales Ahí se conectan también los procesadores AMD K6.

− Socket 8. Para procesadores Pentium Pro.

− Slot 1. Para procesadores Pentiun II, la mayoría de Pentium III y algunos Celeron. En las conexiones conocidas como SLOT, las patas del procesador no se pinchan directamente sobre el zócalo, sino que van soldados en una placa que suele incluir la memoria caché externa y esta se pincha en una ranura de forma vertical.

− Socket 370: Utilizado por la mayoría de Celeron y algunos Pentium III. De aspecto similar al Socket 7 pero con 370 patas (de ahí su nombre)

− Slot 2: Para procesadores Pentium II Xeon y Pentium III Xeon.

− Slot A: Para procesadores AMD K7.

Socket 423. Utilizado para los pentium 4. De construcción similar al Socket 370 pero con 423 patas.

CHIPSET DE CONTROL

El “ChipSet” es el conjunto (Set) de chips que se encargan de controlar determinadas funciones del ordenador, como la forma en que interacciona el microprocesador con la memoria o la caché, o el control de los puertos PCI, AGP, USB ...

De la calidad de un buen chipset dependerán:

− - Obtener o no el máximo rendimiento del microprocesador.

− - Las posibilidades de actualización del ordenador.

− - El uso de ciertas tecnologías más avanzadas de memorias y periféricos.

CONECTORES INTERNOS DE LA PLACA BASE

En los primeros ordenadores personales, la placa base no tenía ningún elemento accesorio, los elementos ya vistos y la BIOS (que veremos luego) es lo único que nos encontrábamos. Actualmente, debido a la altísima integración existente, cada vez más elementos imprescindibles en cualquier ordenador actual se encuentran integrados en la placa base. Vamos a ver los más importantes.

− Controladora de Floppy. Con conector de 34 pines para dos unidades de diskette.

− Controladora EIDE. Dos conectores de 40 pines para unidades de almacenamiento EID (discos duros y Lectores y grabadores de CD habitualmente).

− Alimentación. Conector para la fuente de alimentación.

Pila. Para Guardar configuraciones de la BIOS.

CONECTORES EXTERNOS DE LA PLACA BASE

− Teclado. Actualmente en formato mini-DIN

− Ratón. Actualmente en Formato mini-DIN (también conocido como ratón PS/2)

− Puertos de comunicaciones:

. Paralelo: 25 pines. Con una alta velocidad de transferencia. Suelen conectarse a él impresoras, escáneres o unidades de almacenamiento externo.

. Serie: De 9 o de 21 pines. Baja velocidad de transferencia. Se suelen conectar modems, ratones y otros dispositivos que no requieran una alta velocidad.

. USB (Universal Serial Bus): De 4 conectores. Puerto serie de altísima velocidad. Su principal característica es que a un puerto USB se pueden conectar 127 dispositivos. Un ordenador suele tener un puerto con dos conectores. Se espera que en poco tiempo sustituyan completamente a los puertos serie tradicionales y a los paralelos. Se puede conectar prácticamente cualquier dispositivo (escáner, cámaras de video, ratones, ...)

− Otros: Juegos (para Joystick), entradas y salidas de sonido (si existe tarjeta de sonido integrada), ...

BIOS (Basic Input Output System)

La BIOS realmente no es sino un programa que se encarga de dar soporte para manejar ciertos dispositivos denominados de entrada-salida (Input-Output), y facilita el arranque del PC. Físicamente se localiza en un chip que suele tener forma rectangular, como el de la imagen.

Además, la BIOS conserva ciertos parámetros como el tipo de disco duro, la fecha y hora del sistema, etc., los cuales guarda en una memoria del tipo CMOS, de muy bajo consumo y que es mantenida con una pila cuando el ordenador está desconectado.

Las BIOS pueden actualizarse bien mediante la extracción y sustitución del chip (método muy delicado) o bien mediante software.

Es el menor nivel de software existente en nuestro ordenador. Este software se encuentra grabado en una ROM (en realidad, actualmente es una EEPROM) dando lugar al término firmware.

BIOS (Basic Input Output System)

Los parámetros almacenados en la CMOS de la BIOS pueden alterarse por medio de lo que se conoce como el Setup de la BIOS. Los parámetros a modificar y las operaciones que pueden realizarse también son distintas, algunas de las más importantes son:

− Fecha y hora del sistema

− Determinación de los parámetros del disco curo (de forma manual o automática)

− Determinación del tipo de unidades de diskette.

− Activación de la protección antivirus (evita cambios en los primeros sectores del disco duro)

− Determinación del orden a seguir para buscar el sistema operativo.

− Posibilidad de copiar rutinas existentes en ROM a RAM en el arranque

− Estado del teclado al arrancar (velocidad y estado del teclado numérico)

− Configuración de los puertos y controladoras integrados.

− Configuración de los sistemas de ahorro de energía (APM)

− Configuración de los recursos utilizables por las ranuras de expansión.

Configuración de contraseñas de configuración y/o encendido del ordenador.

REPRESENTACIÓN INTERNA DE LOS DATOS EN MEMORIA (I)

El problema que nos ocupa en este tema es la representación de la información para su almacenamiento y procesamiento por un sistema informático. La información se codifica para su tratamiento de acuerdo con el medio de trabajo.

En los circuitos electrónicos suele representarse la presencia de tensión en un punto de un circuito por medio de un 1, y por medio de un cero la ausencia de tensión. A cada uno de estos ceros o unos se les llama bit. Luego el problema estriba en codificar la información en unos y ceros.

REPRESENTACIÓN INTERNA DE LOS DATOS EN MEMORIA (II)

Para simplificar la representación de cantidades se agrupan los bits dando lugar a las siguientes medidas:

• Ocho bits se denominan octeto o byte (Ejemplo: 10010110)

• Al conjunto de 1024 bytes se le llama kilobyte (Se representa por Kb en el lenguaje escrito y se denomina "ca" en el oral).

• 1024 Kb forman un megabyte (Mb, "Mega").

• 1024 Mb se denominan gigabyte (Gb, "Giga").

• 1024 Gb forman un terabyte (Tb, "Tera").

La palabra, es una unidad de información, y se define como la mayor cantidad de información que la CPU puede procesar simultáneamente. En los equipos pequeños la palabra suele ser de 8 bits (1 byte), en los equipos mayores de 16, 32, 64 bits…

REPRESENTACIÓN INTERNA DE LOS DATOS EN MEMORIA (III)

CÓDIGOS ALFANUMÉRICOS

CÓDIGOS NUMÉRICOS

CÓDIGO ASCII

CÓDIGO EBCDIC

NÚMEROS ENTEROS SIN SIGNO

NÚMEROS ENTEROS CON SIGNO

NÚMEROS REALES

BCD (Binary-Codec Decimal)

BCD Empaquetado

MÓDULO

BCD y BCD Empaquetado

MÓDULO y Signo

COMPLEMENTO A 1 y A 2

EXCESO 2 n-1

COMA FIJA

COMA FLOTANTE

CUESTIONES DE REPASO

¿Cual es la finalidad de la ALU? ¿Qué utilidad tiene el bus de direcciones y datos? ¿Qué son las unidades FLOPS? ¿Donde se almacenan los datos con los que trabaja

temporalmente el microprocesador? ¿Por qué no se pueden conectar los periféricos

directamente al microprocesador? ¿Qué diferencias hay entre ROM y RAM? ¿Cuál se la finalidad de la BIOS?