Computadores: arquitectura

Informática. Clasificación. Fuente de energía. Capacidad. Aplicaciones típicas. Procesadores. Memoria. Dispositivos

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Se puede definir la arquitectura de computadores como el estudio de la estructura, funcionamiento y diseño de computadores. Esto incluye, sobre todo a aspectos de hardware, pero también afecta a cuestiones de software de bajo nivel.

CLASIFICACION DE LAS COMPUTADORAS POR FUENTE DE ENERGIA

      • Computadores mecanicos.

Podríamos decir que las máquinas mecánicas de calcular constituyendo la "era arcaica" o generación 0 de los computadores. Una evolución de estas máquinas son las máquinas registradoras mecánicas que aún existen en la actualidad. Otro elemento de cálculo mecánico que se utilizó hasta hace pocos años fue la regla de cálculo que se basa en el cálculo logaritmo y cuyo origen son los círculos de proporción de Neper. Ingenios clásicos de esa etapa fueran la máquina de Pascal, que podía realizar sumar, restas y, posteriormente, multiplicaciones y divisiones, y las dos máquinas de Charles Babbage: la máquina de diferencias y la analítica. Esta última fue la precursora de los computadores actuales.

La fase final de la en la mecánica de la informática y la constituyen los computadores electromecánicos basados en lógica de relés (década de los 30).

      • Computadores electricos.

Los computadores envasados en elementos mecánicos planteaban ciertos problemas:

La velocidad de trabajo está limitada a inercia de la partes móviles.

La transmisión de la información por medios mecánicos (engranajes, palancas, etcétera.) es poco fiable y difícilmente manejable.

Los computadores electrónicos salvan estos inconvenientes ya que carecen de partes móviles y la velocidad de transmisión de la información por métodos eléctricos no es comparable a la de ningún elemento mecánico.

El primer elemento electrónico usado para calcular fue la válvula de vacío y, probablemente, el primer computadores electrónicos de uso general fue el E.N.I.A.C. (Electronic Numerical Integrator Calculator) construido en Universidad de Pennsylvania (1943-46). El primer computador de programa almacenado fue el E.D.V.A.C. (Electronic Discrete Variable Computer, 1945-51) basado en la idea de John Von Neumann, que también participó en el proyecto E.N.I.A.C. de que el programa debe almacenarse en la misma memoria que los datos.

CLASIFICACION DE LAS COMPUTADORAS POR CAPACIDAD

Supercomputadoras

Macrocomputadoras

Minicomputadoras

Microcomputadoras o PC´s

Supercomputadoras :

Una supercomputadora es el tipo de computadora más potente y más rápido que existe en un momento dado. Estas máquinas están diseñadas para procesar enormes cantidades de información en poco tiempo y son dedicadas a una tarea específica. Así mismo son las más caras, sus precios alcanzan los 30 MILLONES de dólares y más; y cuentan con un control de temperatura especial, ésto para disipar el calor que algunos componentes alcanzan a tener. Unos ejemplos de tareas a las que son expuestas las supercomputadoras son los siguientes:

  • Búsqueda y estudio de la energía y armas nucleares.

  • Búsqueda de yacimientos petrolíferos con grandes bases de datos sísmicos.

  • El estudio y predicción de tornados.

  • El estudio y predicción del clima de cualquier parte del mundo.

  • La elaboración de maquetas y proyectos de la creación de aviones, simuladores de vuelo. Etc.

Debido a su precio, son muy pocas las supercomputadoras que se construyen en un año. Macrocomputadoras o Mainframes.

MACROCOMPUTADORAS :

Las macrocomputadoras son también conocidas como Mainframes. Los mainframes son grandes, rápidos y caros sistemas que son capaces de controlar cientos de usuarios simultáneamente, así como cientos de dispositivos de entrada y salida. Los mainframes tienen un costo que va desde 350,000 dólares hasta varios millones de dólares. De alguna forma los mainframes son más poderosos que las supercomputadoras porque soportan más programas simultáneamente. PERO las sup ercomputadoras pueden ejecutar un sólo programa más rápido que un mainframe. En el pasado, los Mainframes ocupaban cuartos completos o hasta pisos enteros de algún edificio, hoy en día, un Mainframe es parecido a una hilera de archiveros en algún cuarto con piso falso, ésto para ocultar los cientos de cables d e los periféricos , y su temperatura tiene que estar controlada.

MINICOMPUTADORAS :

En 1960 surgió la minicomputadora, una versión más pequeña de la Macrocomputadora. Al ser orientada a tareas específicas, no necesitaba de todos los periféricos que necesita un Mainframe, y ésto ayudo a reducir el precio y costos de mantenimiento . Las Minicomputadoras , en tamaño y poder de procesamiento, se encuentran entre los mainframes y las estaciones de trabajo. En general, una minicomputadora, es un sistema multiproceso (varios procesos en paralelo) capaz de soportar de 10 hasta 200 usuarios simultáneamente. Actualmente se usan para almacenar grandes bases de datos, automatización industrial y aplicacio nes multiusuario. Microcomputadoras o PC´s

MICROCOMPUTADORAS :

Las microcomputadoras o Computadoras Personales (PC´s) tuvieron su origen con la creación de los microprocesadores. Un microprocesador es "una computadora en un chic", o sea un circuito integrado independiente. Las PC´s son computadoras para uso personal y relativamente son baratas y actualmente se encuentran en las oficinas, escuelas y hogares. El término PC se deriva de que para el año de 1981 , IBM®, sacó a la venta su modelo "IBM PC", la cual se convirtió en un tipo de computadora ideal para uso "personal", de ahí que el término "PC" se estandarizó y los clones que sacaron posteriormente otras empresas fueron llamados "PC y compatibles", usando procesadores del mismo tipo que las IBM , pero a un costo menor y pudiendo ejecutar el mismo tipo de programas. Existen otros tipos de microcomputadoras , como la Macintosh®, que no son compatibles con la IBM, pero que en muchos de los casos se les llaman también "PC´s", por ser de uso personal. En la actualidad existen variados tipos en el diseño de PC´s: Computadoras personales, con el gabinete tipo minitorre, separado del monitor. Computadoras personales portátiles "Laptop" o "Notebook". Computadoras personales más comunes, con el gabinete horizontal, separado del monitor. Computadoras personales que están en una sola unidad compacta el monitor y el CPU. Las computadoras "laptops" son aquellas computadoras que están diseñadas para poder ser transportadas de un lugar a otro. Se alimentan por medio de baterías recargables , pesan entre 2 y 5 kilos y la mayoría trae integrado una pantalla de LCD (Liquid Crys tal Display). Estaciones de trabajo o Workstations Las estaciones de trabajo se encuentran entre las Minicomputadoras y las macrocomputadoras (por el procesamiento). Las estaciones de trabajo son un tipo de computadoras que se utilizan para aplicaciones que requieran de poder de procesam iento moderado y relativamente capacidades de gráficos de alta calidad. Son usadas para: Aplicaciones de ingeniería CAD (Diseño asistido por computadora) CAM (manufactura asistida por computadora) Publicidad Creación de Software en redes, la palabra "workstation" o "estación de trabajo" se utiliza para referirse a cualquier computadora que está conectada a una red de área local.

CLASIFICACION DE LAS COMPUTADORAS POR APLICACIONES TIPICAS.

UTILIZACION DE COMPUTADORAS EN DISTINTOS SECTORES

Esto es por que como apoyo para cualquier area se pueden ocupar las computadoras, logicamente estas deven ser adecuadas a las necesidades de cada sector o aplicación.

En una organización(empresa...):

RECURSOS HUMANOS.

Son los mas importantes de una organización ya que estos son los que administran los recursos de la empresa. La estructura que se establece para una organización depende del trabajo que pretenda desarrollar y de los recursos, tanto físicos como materiales disponibles.

Con la introducción de las computadoras se realizan cambios en las actividades relacionadas con el manejo de información; por tanto se producirán cambios en los departamentos ligados con estas actividades. Ubicación dentro de la organización: Pueden presentarse tres opciones principales, cada una con sus respectivas ventajas y desventajas.

Estructura interna.- Un centro o departamento de informática se integra de funciones fundamentales:

a) Investigación y análisis;

b) Construcción e implementacion;

c) Operación; y

e) Coordinación general.

Estas funciones se utilizan en cada caso según las particularidades de cada organización.

Aspectos Humanos.- Es evidente que la introducción de un sistema automatizado de tratamiento de la información en una organización traerá consigo repercusiones en relación con el personal que en ella labora. Estas repercusiones pueden presentarse bajo muchas forma, pero la modalidad mas evidente y mas estudiada es la resistencia o el rechazo a la computadora.

MILITAR E INDUSTRIA

INTELIGENCIA ARTIFICIAL ( IA )

Es la solución de problemas complejos con el apoyo del computador mediante la aplicación de procesos que son análogos al proceso del razonamiento humano. En particular, los trabajos que son desarrollados en IA abarcan diversas áreas de investigación , tales como la simulación de capacidades perceptuales y habilidades psicomotoras (robotica), la comprensión del lenguaje natural, y la construcción de sistemas informaticos capaces de imitar la habilidad de un experto humano en su ámbito de conocimiento determinado (sistemas expertos).

RESUMEN

Es importante conocer algunos conceptos relevantes para una comunicación eficiente con el personal del departamento de informática. Como definición de una computadora, componentes físicos de una computadora, los programas y los datos de la computadora.

En este capitulo una computadora se define como un dispositivo electrónico programable que procesa y recupera datos además tiene la capacidad de almacenar esos datos. Las principales categorías en las que se clasifican son computadoras multiusuario, monousuario, portátiles y de propósito especial.

Las computadoras multiusuario están las mainframes (o supercomputadoras) y las minicomputadoras. Los mainframes son grandes, rápidos y caros sistemas que son capaces de controlar cientos de usuarios simultáneamente, así como cientos de dispositivos de entrada y salida. Por otra parte las minicomputadoras son mas pequeñas y menos costosas pero son mas grandes que las computadoras personales. En la categoría de las computadoras monousario están las estaciones de trabajo que son computadoras de escritorio con el poder de computo y las computadoras personales (pc´s) generalmente esta orientada a dar servicio a un solo usuario. Las computadoras portátiles son maquinas que se pueden llevar de un lugar a otro en un pequeño maletin. Las computadoras de propósito especial son las que están dedicadas a tareas especificas, como los sensores de temperatura dentro de un edificio.

UNIDAD 2 arquitecturas

Las partes en las que se interrelaciona una computadora las comprenden:

Procesador - almacenamiento - Dispositivos E/S.

  • PROCESADOR

La UCP consta de dos componentes: La unidad de control (control unit,Uc) y unidad aritmética logica (UAL).

Computadores: arquitectura
Un microprocesador es el chip que ejecuta los programas. El procesador o CPU, lleva a cabo una gran variedad de cálculos, comparaciones numéricas y transferencias de datos como respuesta a las peticiones de los programas que están siendo ejecutados en memoria. La CPU controla las operaciones básicas del ordenador enviando y recibiendo señales de control, direcciones de memoria y datos de un lugar a otro del ordenador a través de un grupo de 'sendas electrónicas' llamadas BUS.

La UCP consta de dos componentes: La unidad de control (control unit,Uc) y unidad aritmética logica (UAL) Y los registros.
Sus funciones consisten en leer y escribir contenidos de las celdas de memoria, llevar y traer datos entre celdas de memoria y registros especiales, decodificar y ejecutar las instrucciones de un programa

La Unidad de Control (Control unit,CU) coordina las actividades de la computadora y determina que operaciones se deben realizar y en que orden; asimismo controla y sincroniza todo el proceso de la computadora.

Es la unidad de control es el autentico cerebro que controla y coordina el funcionamiento de la computadora.
A raíz de la interpretación de las instrucciones que integran el programa esta unidad genera el conjunto de ordenes elementales necesarias para que se realice la tarea necesitada.

Pasos para la unidad de control.
1. Se estrae de la memoria principal la instrucción a ejecutar esa información es almacenada en el contador de instrucciones, la información que se almacena es la proxima instrucción a ejecutar en el registro de instrucción propiamente dicha.
2.- Una vez conocido el codigo de la operación la unidad de control ya sabe que circuitos de la UAL deben de intervenir pueden establecerse las conexiones electricas necesarias atraves del secuenciador.
3.- Extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción en proceso
4.- Ordena la AUL que efectua las operaciones el resultado de este es depositado en el acumulador de la AUL.
5.- Si la instrucción a proporcionado nuevos datos estos son almacenados en la memoria principal.
6.- Incrementa en una unidad el contenido del contador de instrucciones a ejecutar.

La Unidad Aritmético-Lógica(Arithmetic-logic unit, Alu) realiza operaciones aritmeticas y lógicas, tales como suma, resta, multiplicación, división y comparaciones.

Los datos en la memoria central se pueden leer (recuperar) o escribir (cambiar) por la UCP.

El procesador cuenta con una serie de celdas de memoria que se utilizan con mucha frecuencia y que, por ende, forman parte de la UCP. Estas celdas especiales son conocidas con el nombre de registros que son los componentes mas importantes de un procesador.

  • ALMACENAMIENTO ó MEMORIA PRINCIPAL(interna o central).

    Se almacenan datos y programas, hay dos operaciones que se hacen en la memoria (lee y escribe) entonces se dice que es donde almacena, se lee y se escribe.
    Es un conjunto de células numeradas y dos registros especiales con los que realiza las transacciones.
    El registro de dirección que indica el numero de la celula afectada y el de intercambio que contiene la información leída o la que hay que escribir en la celula de cuestión.

La memoria central o simplemente memoria (interna o principal) se utiliza para almacenar información. En general, la información almacenada en memoria puede ser de dos tipos: las instrucciones de un programa y los datos con los que se operan las instrucciones.

LA MEMORIA Y TIPOS DE MEMORIA.

MEMORIA RAM.
Es de acceso aleatorio esto significa que podemos acceder para leer o escribir cuantas veces sea en ella y no hay una secuencia rígida para escribir o leer. Los datos que se almacenan se conservan por tiempo indefinido.

Esta memoria es volátil. Pierde la información que contiene cuando se suspende el suministro de energía. BIT. Es un digito binario. Entrada de habilitación nos da la facilidad de saber en que momento se va a leer o a escribir en una memoria RAM. Es un tipo de memoria en la cual el dato se presenta

Es una memoria volátil que almacena información generada al momento de ejecución de los programas

SRAM = static indeterminado, permanece sin modificarse y sin alterarse, es mejor utilizar este tipo de memoria.

RAM DRAM = dinamic tiene mas aplicación por el tipo de acceso a una Memoria son demasiado rápidas para R/W.

CACHE es un ejemplo de dinamic

SRAM Son memorias que tienen sus registros mediante flip-flops. Si no modificamos este dato queda almacenado por tiempo indefinido.

DRAM Se envía periódicamente un pulso o señal para refrescar la información. Tiene mas (acción) uso.

  • Tipo de acceso a la memoria

  • Son mas rápidas para leer o escribir en ellas.

  • Se puede borrar un registro en particular (se sobre escribe ) sin ningún problema.

  • TIEMPO DE ACCESO Va a ver señales y cambian conforme al tiempo, es un tiempo esperado en guardar un dato y confirmar que realmente se hizo, solicitar un dato y recibir un dato confiable.

MEMORIA ROM.
Son de solo lectura se graba solo una vez y el resto de las veces se lee aunque se suspenda el tipo de energia.

  • No se pierde la información almacenada.

  • No permite grabar datos.

  • Se programan en fabrica, la información queda grabada al momento en que se fabrica y se tiene algún error se tiene que desechar ya que no se puede modificar.

En este tipo de memoria se localizan rutinas fijas (que nunca pueden ni deben eliminarse) colocadas ahí por el fabricante.

BIOS(Basic input output system). Da las instrucciones para que empiece a trabajar el procesador, si tiene CD-ROM, tarjetas de video / sonido todo lo que esta instalado lo busca y verifica que funcione adecuadamente. PROM = programable

UV PROM = ultra violet

ROM EPROM = ERASABLE

EE PROM = electrical erasable

PROM.
Programables o memoria de solo lectura programable ejemplo: las PAL

  • No se programan de fabrica, se pueden programar ya que son un arreglo de fusibles al quemarlos no se van grabando.

  • Una vez quemado el fusible ya no se pueden reparar.

  • Se programan una sola vez y ya no se puede borrar o modificar la información.

  • Al programarla se convierte en una ROM.

EPROM.
Este tipo de memorias son borrables y se pueden rescribir en ellas.A diferencia de la RAM.Al momento de borrarlas se borra toda la memoria (no hay un borrado selectivo).

Es no volátil, aunque es posible cambiar su contenido utilizando un equipo programador especial, borrando su contenido exponiendo el dispositivo a un haz de luz ultravioleta

UV PROM.
Memoria PROM estas se pueden borrar con Luz ultravioleta.

  • Son muy fácil de identificar (la identificación es visual ).

  • Si se borra se tiene que exponer el circulo integrado a la luz ultravioleta por un determinado tiempo (restaura o borra las celdas de memoria).

  • No es selectivo el borrado no podemos borrar una parte.

  • Se graba con señales electricas.

  • Son de gran rango de aplicación.

  • Si se expone a la luz ambiental se borra la memoria pero se puede evitar poniendo una etiqueta.

EEPROM.
Actua igual que la uv prom.

  • Puede ser borrado y al borrarse se borra toda la memoria.

  • Se puede borrar, grabar, borrar regrabar etc..

  • Electricaly erasable(eléctricamente borrable).

  • Se borra mediante un pulso electrico no tarda en borrarse.

Difiere de la eprom en que sus datos pueden eliminarse por medio de una señal eléctrica.

DRAM (Dynamic RAM).
El tipo más común de memoria para computadoras. La arquitectura RAM dinámica (DRAM) emplea habitualmente un transistor y un condensador para representar un bit. Los condensadores deber ser energizados cientos de veces por segundo para mantener las cargas correctas. Nótese la diferencia con static RAM, la cual es habitualmente más rápida y no requiere circuitería de refresco. A diferencia de los chips de firmware (ROM, PROM, etc.), ambas variedades de RAM pierden su contenido cuando se corta el suministro de energía.

Cache.
Una sección reservada de la memoria que se utiliza para mejorar el rendimiento. Un cache de disco es una porción reservada de la memoria normal, o memorias adicionales en la tarjeta controladora del disco. Cuando el disco es leído, se copia un gran bloque de datos en el cache. Si los requerimientos de datos subsiguientes pueden ser satisfecho por el cache, no se necesita el empleo de un acceso a disco que es más lento. Si el cache es utilizado para escritura, los datos se alinean en memoria y se graban en el disco en bloques más grandes.

Los caches de memoria son bancos de memoria de alta velocidad entre la memoria normal y la CPU. Los bloques de instrucciones y datos se copian en el cache, y la ejecución de las instrucciones y la actualización de los datos es llevada a cabo en la memoria de alta velocidad.

MEMORIA SECUNDARIA.

Por esta razón, para poder disponer de almacenamiento permanente, tanto para programas como para datos, se necesitan dispositivos de almacenamiento secundario, auxiliar o masivo ("mass storage", o "secondary storage").

  • DISPOSITIVOS DE ENTRADA Y SALIDA.

Los dispositivos de Entrada/Salida (E/S) [InputlOutput (1/0), en inglés] permiten la comunicación entre la computadora y el usuario.

Los dispositivos de entrada, como su nombre lo indica, sirven para introducir datos (información) en la computadora para su proceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en la memoria central o interna.

Los dispositivos de entrada convierten la información de entrada en señales eléctricas que se almacenan en la memoria central. Dispositivos de entrada típicos son los teclados: otros son: lectores de tarjetas ya en desuso, lapices ópticos, palancas de mando(joystick),lectores de codigo de barras, etc. Un dispositivo de entrada que se usa frecuentemente es el llamado ratón(mouse) que mueve un puntero electronico sobre la pantalla que facilita la interacción usuario-máquina.

Los dispositivos de salida permiten representar los resultados(salida) del proceso de los datos. El dispositivo de salida típico es la pantalla (CRT). o monitor. Otros dispositivos de salida son:impresoras(imprimen resultados en papel), trazadores gráficos(plotters) reconocedores de voz, etc.

El teclado y la pantalla constituyen en muchas ocaciones un unico dispositivo, denominado terminal. Un teclado de terminal es similar al teclado de una máquina de escribir moderna con la diferencia de algunas teclas extras que tiene el terminal para funciones especiales. Si esta utilizando una computadora personal, el teclado y el monitor son dispositivos independientes conectados a la computadora por cables. En ocasiones a la impresora se le conoce como dispositivo de copia dura ("hard copy"), debido que la escritura en la impresora es una copia permanente (dura) de la salida y a la pantalla se le denomina en contraste: dispositivo de copia blanda ("soft copy"), ya que se pierde la pantalla actual cuando se visualiza la siguiente.

Los dispositivos de entradas/salida y los dispositivos de almacenamiento secundario o auxiliar (memoria externa) se conocen también conel nombre de dispositivos perifericos o simplemante periféricos ya que normalmente, son externos a la computadora.

Algunas terminales (Pc,s) estan equipados con caracteristicas gráficas, los cuales permiten que la salida se visualice en un gráfico o dibujo de dos dimensiones.

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