TEMA 1. SISTEMAS INFORMÁTICOS. INTRODUCCIÓN

CAPITULO 1.1. INTRODUCCIÓN

El ordenador es la herramienta que nos permite el tratamiento automático de la información.

Un sistema informático, en mayor o menor medida es esto, un conjunto de elementos hardware y software interconectados para el tratamiento de la información. El ejemplo más sencillo de sistema informático podría ser un ordenador PC y sistemas más complejos serian redes, sistemas de procesamiento, mainframes, etc.

En este primer tema empezaremos por el componente hardware de este sistema.

CAPITULO 1.2. COMPONENTES DE UN ORDENADOR

Antes de empezar a estudiar con detenimiento los componentes principales de un ordenador es importante conocer bien una serie de conceptos:

• Hardware (Tangible): Este termino hace alusión a la parte física que representa el ordenador. (Monitor, teclado, cables, chips, etc...)

• Software (Intangible): Se refiere al conjunto de aplicaciones y programas que permiten operar con el ordenador, así como controlar y coordinar los distintos elementos hardware. (Sistema operativo, procesadores de texto, hojas de calculo, etc...)

CAPITULO 1.2.1. EL MICROPROCESADOR

Definición: Es el cerebro del ordenador, y el centro de sus actividades. Es un circuito integrado o chip cuya función consiste en interpretar y ejecutar las operaciones que pueda realizar un ordenador.

Ubicación: El microprocesador al igual que el resto de componentes del equipo, se conectan o bien ya están integrados en un soporte rígido poco mayor que las dimensiones de un folio de papel, que recibe el nombre de placa base.

Componentes: El microprocesador se puede dividir en dos unidades funcionales básicas:

• La unidad de control (UC): Esta unidad gobierna el funcionamiento global del mismo. Recibe la información, la transforma e interpreta, enviando ordenes a los demás elementos del ordenador para un correcto procesamiento de la información.

• La unidad aritmético-lógica (UAL - ALU) Es un circuito combinacional complejo que se encarga de realizar las operaciones que la UC le ordena.

Al conjunto de estas dos unidades junto con la memoria principal del ordenador se denomina Unidad Central de Procesos (UCP - CPU).

Evolución:

• En 1971, Intel lanza el 4004 el primer microprocesador. (4 bits. 2300 transistores, 750 Khz. y 200 $).

• En 1974, Intel lanza el 8080. (8 bits, 6000 transistores y 1 Mhz.)

• En 1975, los diseñadores del 8080 fundan su propia compañía Zilog y lanzan el Z80 de características similares al 8080, este micro es implantado en los famosos Spectrums.

• En 1978, Intel reforma el 8080 y sacan al mercado el 8088 y el 8086, son los primeros capaces de realizar multiplicaciones y divisiones. (29000 transistores y 5 - 8 Mhz.)

• En 1981, IBM crea el PC (Computador Personal) y para ello utiliza el 8088. Este es el comienzo del boom de la informática.

• En 1982, aparece el 80286 (134000 transistores, 12 Mhz.)

• En 1985, aparece el 80386 (275000 transistores, 16 Mhz.)

• En 1989, aparece el 80486 (1200000 transistores, 25 Mhz.)

• En 1993, aparece el 80586 - Pentium (3100000 transistores, 75 Mhz.)

• En 1995, aparece el 80686 - Pentium Pro (5500000 transistores, 133 Mhz.)

• En 1997, aparece el Pentium II (7500000 transistores, 233 Mhz.)

• En 1999, aparece el Pentium III (13000000 transistores, 450 Mhz. Slot 1 o FCPGA 370)

• Las previsiones de Intel para el 2006 son 1000000000 y 10 Ghz. Aproximadamente.

Clasificación: La forma más común de clasificación utilizada es la basada en generaciones. Para diferenciar las distintas generaciones se aplican dos criterios básicos:

• La tecnología utilizada en su fabricación.

• Los métodos utilizados para su manejo y programación.

• 1ª Generación (años 40): Aparición de la válvula de vacío.

• 2ª Generación (años 50): Aparece el transistor.

• 3ª Generación (años 60): Aparecen los circuitos integrados.

• 4ª Generación (años 70): Aparece el microprocesador.

• 5ª Generación (años 80): Aparece el PC (80x86)

• Fácil manejo

• Bajo coste

• 6ª Generación (años 90): Los multiprocesadores, es decir múltiples procesadores independientes que acceden a una memoria común a través de un bus compartido. (Pentium Pro).

• Uso de paralelismo

• Inclusión de grandes caches en el interior del microprocesador.

• 7ª Generación (2000): La era del Gigaherzio. (Pentium IV y el K7).

• 64 bits.

• Paralelismo.

• 8ª Generación (Hoy en día): Cambio de Silicio por el Titanium.

Microprocesadores para PC.

Intel.

• Pentium

• MMX

• Pentium Pro

• Pentium II Klamath

• Pentium II Xeon

• Pentium II Celeron

• Pentium III Katmai

• KNI: MMX2.

• Pentium III Copermine

• Pentium III Xeon

• Pentium III Willmette

• Pentium IV

AMD

• K6

• K6-2

• 3Dnow

• K6-3

• K7

Cyrix

• M1

• M2

• Mx1

IDT

• C6

• C6+

Las magnitudes principales de un microprocesador: hay muchos parámetros que influyen en el rendimiento de procesador, los más representativos son:

• Frecuencia del reloj: Es un factor cuantitativo que indica la velocidad del microprocesador. El reloj es un pequeño dispositivo de cuarzo que emite una señal de onda digital, cuadrada y periódica, que se utiliza para sincronizar su funcionamiento. Este señal viene caracterizada por su periodo, magnitud inversa a la frecuencia, y que es el tiempo que tarda el chip en realizar una operación atómica. (Frecuencia = 1 / Periodo). Cuanto mayor es la frecuencia, menor es el tiempo que consume en realizar las operaciones, y por tanto mayor rendimiento.

• La tecnología de integración: Es un factor más cualitativo. Representa la mínima resolución de la litografía a integrar. Este factor esta relacionado con el número de transistores. Se mide en micras.

• Paralelismo: Consiste en romper con la ejecución secuencial de las instrucciones para simultanear su ejecución. Hay distintas formas de explotar el paralelismo:

• Segmentación

• Superescalaridad

• Segmentación y superescalaridad

• Supersegmentación

• La memoria interna: Es la incorporación de distintos niveles de caché en el procesador. Ej.: L1 y L2. Es un elemento cualitativo.

• El conjunto de instrucciones: El conjunto de instrucciones que la máquina es capaz de entender. Para aumentar el número instrucciones se incorporan unidades funcionales especiales como por ejemplo:

• MMX, MMX2 o 3Dnow: Estas unidades incorporan instrucciones especiales multimedia.

• SIMD: Permite instrucciones para operaciones en punto flotante.

Direcciones de interés:

www.intel.com www.ciryx.com

www.amd.com www.digital.com

www.mot.com www.sun.com

www.sgi.com www2.hp.com/spain/index.htm

CAPITULO 1.2.2. LA MEMORIA.

Definición: La memoria es el elemento que almacena la información dentro del computador. Aloja tanto las instrucciones como los datos que estas necesitan para trabajar.

Dentro del computador encontramos celdas de memoria por doquier: La memoria principal, en el interior del procesador, en muchos chips de la placa base, en los periféricos, etc.

Evolución: Por los años 40 aparecen las primeras memorias en forma de núcleos de ferritas, que ocupaban un enorme tamaño y liberaban gran cantidad de calor. No será hasta los 60 cuando se produce el gran salto en la fabricación de las memorias: Los circuitos integrados comienzan a aplicarse a los chips de memoria. La evolución de la memoria ha sido mucho más lenta que la de los procesadores. Como consecuencia de esta evolución tan dispar, la velocidad de los procesadores ha ido dejando cada vez más atrás a la memoria.

Desgraciadamente, una elevada potencia de proceso no sirve de nada si no va acompañada de un sistema de memoria que sea capaz de proporcionar los datos e instrucciones a una velocidad similar.

Los grandes obstáculos de este déficit son principalmente dos:

• Estructuralmente: La memoria principal se basa en la carga y descarga de condensadores, mientras que los microprocesadores están compuestos de millones de transistores. Por un lado, el tiempo de respuesta de un circuito RC (Resistencia - condensadores) es muy elevado si se compara con el tiempo de propagación de señales eléctricas por los transistores.

• Comercialmente: La capa de software demanda memorias cada vez más grandes, y la industria se centra más en aumentar la capacidad de estas que en hacerlas más rápidas.

La única solución al problema de la velocidad consiste en crear una memoria estructuralmente diferente que sea capaz de reducir el tiempo de respuesta que pueda seguir las pautas del procesador.

Esto se consigue sustituyendo los condensadores por puertas lógicas y transistores, los mismos elementos constitutivos del procesador. A esta nueva memoria se la denomina memoria caché (misma tecnología que la del procesador). Este tipo de memoria es unas diez veces más rápida a costa de pagar más dinero por el chip y reducir su capacidad. Debido a estas características estas memorias se ubican más cerca del procesador. De esta manera, la memoria principal ya no dialoga con el procesador, sino que sirve la demanda de petición hacia la caché.

Errores comunes: Mucha gente utiliza el termino de RAM para referirse a la memoria principal, pues bien RAM significa memoria de acceso aleatorio, es decir, una memoria en la que se puede leer y escribir en zonas de ellas de forma aleatoria y esto esta presente en casi todas las memorias.

El termino correcto para definir la memoria principal sería el RAM dinámica, (condensadores) y para definir a la memoria caché RAM estática (Puertas lógicas y transistores.

La memoria principal o RAM dinámica (DRAM): En la memoria principal del computador, cada celda o bit de información se implementa mediante un minúsculo condensador, siendo el signo positivo o negativo de su carga el que determina el valor lógico 0 o 1 de su celda.

El nombre de RAM dinámica o DRAM que se aplica a este tipo de memoria procede del hecho que la carga del condensador cambia continuamente.

Estructura de la DRAM:

• El sistema se compone de bancos.

• Los bancos se componen de módulos.

• Los módulos se componen de CHIPS.

• Los CHIPS se componen de celdas

Parámetros de funcionalidad y rendimiento:

• El parámetro que describe la funcionalidad de la memoria es su tamaño, que suele indicarse en la actualidad en Megabytes.

• La latencia o tiempo de acceso a memoria: Tiempo que transcurre desde que el chip recibe la dirección de la celda hasta que devuelve el dato que se encuentra en ella. Se mide en segundos.

• El ancho de banda: Velocidad de transporte. Se mide en Megabytes / segundos.

Conexión a la placa:

La DRAM puede presentarse en tres formatos distintos atendiendo a su interacción física con la placa:

• DIP: Son chips de memorias rectangulares con 16 patas de metal, ocho a cada lado. Utilizado en los 8088.

• SIMM / DIMM: Módulos de memoria simple alineada. Se trata de pequeñas laminas de circuitos impresos que tienen chips de memoria soldados y que se insertan en unos zócalos dispuestos para tal efectos en la placa base.

Formatos:

• SIMM de 30 contactos. 8 bits. Utilizado en los 80386 y los 80486.

• SIMM de 72 contactos. 32 bits. Utilizado en los 80486 y los Pentium.

• DIMM de 168 contactos. 64 bits. Pentium II en adelante.

• SIPP: Paquetes de pastillas simples alineados. Son SIMMS pero con patillas en lugar de contactos.

Interfaces:

FPM RAM: Memoria dinámica de modo de página rápido.

EDO RAM: Memoria dinámica de salida de datos extendida.

BEDO RAM: Memoria dinámica EDO en ráfagas.

SDRAM: Memoria dinámica sincronía.

Direcciones:

www.micron.com/mti/msp/html/literature.html

www.kingston.com/king/mg2.htm

Sistemas de codificación:

Representación numérica

• Decimal

• Binario

• Hexadecimal

• Octal

Representación alfanumérica

• Código ASCII

CAPITULO 1.2.3. LOS BUSES

Definición: En la arquitectura de un PC la información fluye por diversos caminos, teniendo siempre el microprocesador como centro neurálgico donde se procesa toda la información. Estos caminos reciben el nombre de buses.

A los buses se les caracteriza por el número de líneas de comunicación que poseen y la frecuencia de transmisión de los datos por estas líneas. El producto de ambos factores determina el ancho de banda, que indica la velocidad del bus en Megabytes / segundos.

Cuando un bus es compartido entre múltiples dispositivos es necesario un controlador del bus, es decir, un chip que decida quien puede utilizar el bus.

Cuando varios buses distintos coexisten en el sistema son necesarios los puentes de conexión para realizar la conversión de la información de unos a otros.

Jerarquía de buses:

• El bus local: Conecta el microprocesador con la memoria caché y la memoria principal. Es el bus más importante del sistema desde el punto de vista del rendimiento, ya que todos los demás buses desembocarán allí en su camino hacia el microprocesador. En los 486 este bus funcionaba a un máximo de 33 Mhz, en los Pentium a 66 Mhz y actualmente esta a 800 Mhz.

• El bus de expansión: Conecta el bus local con los distintos periféricos cuyas tarjetas se instalan en los zócalos de expansión del sistema (PCI e ISA). Dentro de los buses de expansión tenemos los buses dedicados destinados al dialogo con un tipo concreto de dispositivo (IDE y SCSI para dispositivos de almacenamiento y AGP para tarjetas gráficas).

El bus de expansión: Este bus permite incorporar nuevos dispositivos para expandir la funcionalidad de sistema. Existen dos formas básicas para la conexión de un dispositivo al bus de expansión:

• Algunos se conectan mediante zócalos de expansión que la placa incorpora para este fin (Tarjetas de sonido, tarjetas de red, etc).

• Y otros se conectan directamente a la placa (HDD, CD-ROM, disqueteras, puertos series, puertos paralelos, etc).

Buses de expansión más utilizados:

• ISA (Industry Standard Architecture): Desarrollado por IBM en 1981, alcanza un ancho de banda de hasta 33 MB / sg. En la actualidad esta en desuso, incluso ya no se encuentran en las nuevas placas madres. (Tarjetas gráficas, tarjetas de sonido, tarjetas de red, etc). Los zócalos ISA son de color negro.

• PCI (Peripherals Component Interconnect): Creado en 1992 por INTEL, estuvo en todo momento pensado para dar una respuesta de interconexión a los sistemas equipados con microprocesadores Pentium. Su ultima versión alcanza una máximo de 528 MB / sg. (Tarjetas gráficas, tarjetas de sonido, tarjetas de red, etc). Los zócalos PCI son de color blanco.

• AGP (Accelerated Graphics Port)(Bus dedicado): Es la especificación de un nuevo interfaz desarrollado por Intel como primera solución a los enormes requerimientos de ancho de banda que necesita el emergente mercado de los gráfico tridimensionales. El objeto principal de este bus es proporcionar altas velocidades entre el procesador y la tarjeta de vídeo. Alcanza un ancho de banda superior al GB / sg y es de color marrón. (Tarjetas gráficas)

• IDE (Integrated Drive Electronics)(Bus dedicado): IDE es la especificación de un bus para la transferencia con los discos hasta los 133 MB / sg. (Discos duros, CD-ROM, Disqueteras, etc).

• SCSI (Small Computer System Interface): Es también un bus para la transferencia de información con los dispositivos de almacenamiento masivo y su ancho de banda puede alcanzar los 320 Mb / sg.

• USB (Universal Serial Bus): Este bus ha surgido como una iniciativa para la interconexión estándar de periféricos. Un bus serie no es el mejor cauce para la transmisión de datos desde el punto de vista de la velocidad. Las principales características de este bus son:

• Unificación de conectores

• Facilidad de montaje

• Configuración automática

• Conexión en caliente

• Bajo coste

• Altas prestaciones

• Ancho de banda de hasta 12 Mb / sg frente a los 80 Kb / sg del puerto serie

• El USB 2.0 consigue un ratio de 480 Mb / sg

• Fire Wire (IEEE-1394): Es un nuevo bus que surge para aumentar las transferencias de datos, para dar soporte a todos los dispositivos para los que el ancho de banda del bus USB no es suficiente. Fire Wire soporta los 400 Mb / sg. A nivel de PC se le llama puerto ILINK (Dispositivos digitales, cámaras de video y cámaras fotográficas digitales).

CAPITULO 1.2.4. LA PLACA BASE (PLACA MADRE)

Definición: La placa base es el esqueleto del computador y su principal componente. Podemos definirla como la plataforma física sobre la que se conectan los distintos dispositivos que integran un computador. Su función principal es la de servir como medio de comunicación entre los distintos componentes, proporcionando las líneas eléctricas y las señales de control necesarias para que todas las transferencias de datos se hagan de forma fiable y eficiente.

Es muy importante la elección de una buena placa, ya que fallar en la elección de la placa va a ser mucho peor que fallar en la elección del micro.

Elementos que integran la placa base:

• El zócalo del procesador: Es el espacio físico de la placa reservado para insertar el microprocesador. En la actualidad existen dos tipos distintos de zócalos:

• ZIF Socket # (ZIF Zero Insertion Force): Chip con patillas. (80x86 y AMD)

• SEC Slot # (SEC Single Edge Cartridge): Cartucho de una sola arista (Pentium II, III y IV).

• El reloj: Es un minúsculo dispositivo de cuarzo que proporciona una señal de onda digital y cuadrada.

• Los Buses.

• El juego de chips (CHIPSET): Son el conjunto de circuitos que implementan gran parte de la funcionalidad de comunicación y control asignada a la placa base. Hoy en día se tiende a minimizar el número de chips que componen el juego de chips a integrar en él cada vez más funciones. Estos integran conjuntamente cosas tan distintas como el controlador de interrupciones, el controlador DMA (acceso directo a memoria), los controladores de memoria caché y memoria principal, el bus local, y los puentes que actúan de interfaz con el bus de expansión (PCI e ISA). Cada juego de chips da lugar a una familia de placas con similares características y con un nombre comercial compuesto por un número y un sufijo de letras (430FX, 430TX, 440FX,etc).

• La BIOS, La CMOS y la pila del sistema.

• Los conmutadores manuales (jumpers)

• El disipador de calor

• Los conectores internos

• Los conectores externos

El formato de las placas base:

• Formato AT: es el formato más grande de placas para PC.

• Formato baby-AT.

• Formato ATX

• Formato micro-ATX

CAPITULO 1.2.5. CÓMO ESCRIBIRY LEER BITS EN UN DISCO

Antes de escribir cualquier dato en un disco, las partículas de hierro están dispersas según un patrón aleatorio dentro de una película magnética que recubre la superficie del disco. Esta película es similar a la que cubre la superficie de cintas de audio y video. Para organizar las partículas en datos, la electricidad se desplaza a través de una bobina de alambre enrollada en un núcleo ferromagnético en el cabezal de lectura / escritura del mecanismo de la unidad; el cabezal esta suspendido sobre la superficie del disco. La electricidad convierte el núcleo en electroimán que puede imantar las moléculas del revestimiento, algo muy parecido a cuando un niño usa un imán para jugar con limaduras de hierro.

Al pasar sobre el disco, la bobina induce un campo magnético en el núcleo. El campo, a su vez, magnetiza las moléculas de hierro del revestimiento del disco, de forma que sus polos positivos apuntan hacia el polo negativo del cabezal. Los polos positivos y negativos se representan aquí con colores rojo y azul, respectivamente.

Después de que el cabezal crea una banda magnética en el disco que gira, se forma una segunda banda a su lado. Conjuntamente, las dos bandas representan el elemento discreto menor de los datos que un computador puede manipular: un bit. Si este va a representar un 1 binario, después de crear la primera banda, la corriente de la bobina se invierte, de manera que los polos magnéticos del núcleo se intercambian y las moléculas de la segunda banda se magnetizan en la dirección opuesta. Si el bit es 0 binario, las moléculas de ambas bandas se alinean en la misma dirección.

Cuando se almacena un segundo bit, la polaridad de su primera banda es siempre la opuesta de la banda precedente, con el fin de indicar que comienza un nuevo bit. Incluso la unidad más lenta tarda solo una fracción de segundo en crear cada banca. En la ilustración siguiente, los bits almacenados representan el número binario 1011, que es 11 en números decimales.

Para leer los datos, no se envía nada de corriente al cabezal de lectura / escritura cuando pasa sobre el disco. En vez de eso, tiene lugar la inversión magnética del proceso de escritura. Los grupos de moléculas polarizadas del revestimiento del disco son, por si mismas, diminutos imanes que crean un campo magnético a través del cual pasa el cabezal de lectura / escritura. El movimiento del cabezal a través del campo magnético genera una corriente eléctrica que se desplaza en una u otra dirección a través de los hilos que salen del cabezal. La dirección en que fluye la corriente depende de las polaridades de las bandas. Mediante la detección de las direcciones de desplazamiento de la corriente, el computador puede saber si el cabezal de lectura / escritura pasa sobre un 1 o un 0.

CAPITULO 1.2.6. COMO SE ESCRIBEN DATOS EN LA RAM

El software, conjuntamente con el sistema operativo, envía una ráfaga de electricidad a lo largo de una línea de direcciones, que es un filamento microscópico de material conductor de electricidad grabado en un chip de RAM. Esta ráfaga identifica donde se van a registrar los datos entre las diversas líneas de direcciones de un chip de RAM.

En cada posición de memoria de un chip de RAM donde se pueden almacenar los datos, el impulso eléctrico enciende (cierra) un transistor conectado una línea de datos. Un transistor es esencialmente un conmutador eléctrico microscópico.

Cuando se encienden los transistores, el software envía ráfagas de electricidad a lo largo de las líneas de datos seleccionadas. Cada ráfaga representa un bit, o bien un 1 o bien un 0, en la lengua materna de los procesadores y la unidad básica de información que un computador manipula.

Cuando el impulso eléctrico llega a una línea de direcciones a lo largo de la cual se ha encendido un transistor, el impulso fluye a través del transistor cerrado y carga un condensador, un dispositivo electrónico que almacena electricidad. Este proceso se repite continuamente para renovar la carga del condensador, que, de lo contrario se agotaría lentamente. Cuando se conecta la alimentación del computador, todos los condensadores pierden sus cargas.

Cada condensador cargado a lo largo de la línea de direcciones representa bit 1, sin carga representa un bit 0. El PC utiliza bits 1 y 0 como números binarios para almacenar y manipular toda la información.

Nota: Puesto que un condensador solo puede trabajar con números binarios, una A mayúscula se almacena en la RAM y en disco como el número binario 01000001. Una B mayúscula es 01000010.

CAPITULO 1.2.7. COMO SE LEEN DATOS DE LA RAM

Cuando el software desea leer los datos almacenados en la RAM, se envía otro impulso eléctrico a lo largo de la línea de direcciones, cerrando una vez más los transistores conectados a ella.

En cualquier parte a lo largo de la línea de direcciones donde exista un condensador que posee una carga, el condensador se descargará a través del circuito creado por los transistores cerrados, enviando impulsos eléctricos a lo largo de las líneas de datos.

El software reconoce las líneas de datos de los cuales proceden los impulsos e interpreta cada impulso como un 1, y toda línea de la cual no recibe un impulso como un 0. La combinación de unos y ceros de ocho líneas de datos forma un único byte de datos.

CAPITULO 1.2.8. UNIDAD DE CD-ROM

Un motor varia constantemente la velocidad de giro del disco CD-ROM, para que, con independencia de la situación donde se encuentre en cada instante un componente llamado deflector en relación con el radio del disco, la parte de este que se encuentra inmediatamente encima de ese deflector esté moviéndose siempre a la misma velocidad.

El láser proyecta una haz de luz concentrado, que es enfocado luego por una bobina de enfoque.

El rayo láser atraviesa la capa protectora de plástico e incide en la capa reflectora del fondo del disco, que se asemeja a una lámina de aluminio.

La superficie de la capa reflectora presenta alternativamente entrantes y salientes. Los salientes (lands), son zonas planas; los entrantes (pits) diminutas concavidades en la capa reflectora. Estos dos tipos de superficie son el registro de los 1 y 0 usados para almacenar datos.

La luz que da en un entrante se dispersa, pero la luz que incide en un saliente se refleja de nuevo en el detector, donde pasa a través de un prisma que desvía el rayo láser reflejado hacia un diodo fotosensible.

Cada impulso luminoso que llega al diodo fotosensible genera una pequeña corriente eléctrica. Estas corrientes se cotejan con un circuito regulado, generando una cadena de 1 y 0 susceptible de ser interpretado por el computador.