Tema 2

Tema 2: Funcionamiento de un Ordenador

2.1. Arquitectura de Von Nemam

Von Nemam describió el fundamento teórico de la construcción de un ordenador electrónico con programa almacenado. La idea era conectar permanentemente las unidades del ordenador de manera que su funcionamiento estuviera coordinado bajo un control central

A)     Unidad central de procesos ( CPU)

La CPU es el cerebro del ordenador y se trata de un circuito integrado que interpreta y ejecuta las instrucciones de los programas almacenados en memoria y además toma los datos de las unidades de entrada los procesa y lo envía a las unidades periféricos de salida. A los CPU también los podemos llamar procesador.

Está formado por: la unidad de control (UCE) que interpreta y ejecuta las instrucciones maquinas almacenadas en la memoria principal.

B)      Unidad Aritmético- Lógica (ALU): Que recibe los datos sobre lo que efectúa operaciones de cálculo y comparaciones, toma decisiones lógicas (mediante las reglas del algebra Boole) y devuelve luego el resultado todo ello bajo la supervisión de la unidad de control.

C)      Registros de trabajo donde se almacena la información temporal.

Para aceptar ordenes del usuario, acceder a los datos y mostrar los resultados la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus. El bus conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento, a los de entrada y a los dispositivos de salida.

Los Buses son los caminos a través de los cuales las instrucciones y los datos circulan entre las distintas unidades del ordenador.

D)     Los Registros internos del microprocesador:

En el interior del procesador existen unas celdas de memoria de alta velocidad que permiten a los CPU almacenar datos temporalmente mientras se efectúa alguna operación. Son los llamados registros internos que constituyen la memoria interna del procesador. Están formados por un conjunto de bits que se manipula en bloque y siempre son múltiplos de 8.

El tamaño del registro indica el número de bits que puede manipular a la vez el procesador; cuanto mayor sea más potente será el nitro, podrá trabajar con más cantidad de información a la vez.

·         Registros visibles al Usuario: Son aquellos que pueden ser referenciados por lenguaje cercano al ordenador con el fin de optimizar el uso de recursos, se distinguen en tres categorías: Registro de dirección: contienen las direcciones de memoria donde se encuentran los datos.

Registro de datos: Se usan para contener datos

Registro de condición: Que son bits fijados mediante el hardware que indica por ejemplo si una operación devuelve el resultado positivo, negativo o nulo etc.

·         Registros de control y de estado: Son los que intervienen en la ejecución de las instrucciones. Distinguimos los siguientes tipos:

-          Contador de programa (CP): También llamado contador de instrucciones contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

-          Registro de instrucción (RI): Contiene el código de la instrucción actual.

-          Registro de dirección de memoria (RDM): Contiene la dirección de una posición de memoria donde se encuentra o va a ser almacenada la información.

-          Registro de intercambio de memoria (RIM): Recibe o envía la información o el dato contenido en la posición apuntada por el registro de dirección de memoria; el intercambio de datos con la memoria se realiza a través del bus de datos.

E)      Buses de Comunicación.

Las unidades que integran el ordenador se comunican a través de los buses. Los buses son los caminos por los que fluye la información; podrían compararse con las autopistas por las que circulan los coches. Al igual que la calidad de una autopista depende del número de carriles y la velocidad a la que se puede circular por ellos la calidad de los buses depende del número de bytes que pueden fluir en el mismo tiempo y de la velocidad con que lo hacen.

Hay tres tipos de buses:

·         El bus de datos: Permite establecer el intercambio de datos entre las CPU y el resto de unidades. Para instrucción de un programa y cada byte de datos viaja por este bus.

La velocidad del bus de datos se mide en megahercios o en gigahercios.

Otras de las características de la CPU es el numero de bit que transfiere simultáneamente a través de este bus, el tamaño del bus se mide en bit. La CPU de los primeros ordenadores tenían un bus de 8 bit y solo podía transferir un byte por cada ciclo del reloj. Los actuales micros tienen un bus de datos de 64 bits por lo que puede transferir en un ciclo del reloj hasta 8 bytes.

·         Bus de direcciones: Transportan las direcciones de la memoria en las que se pueden leer o escribir datos por tanto transmiten direcciones entre la CPU y la memoria y funciona sincronizado por el bus de datos. 

·         Bus de control: Transmite la instrucciones dadas por la CPU a los distintos dispositivos.

F)      La unidad de control se encarga de interpretar y ejecutar las instrucciones magnas y de general las señales de control necesarias para llevarlas a cabo.

Ejecuta las operaciones siguientes:

1-      Extrae de la memoria principal la instrucción a ejecutar. Para ello dispone de dos registros: El contador de programa (CP) en el que almacena la dirección de la celda que contiene la próxima función a ejecutar y el registro de instrucción (RI) en el que deposita el código de la instrucción a ejecutar.

2-      Una vez conocido el código de operación la unidad de control establece las conexiones con los circuitos de la ALU.

3-      Extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción.

4-      Ordena a la ALU que efectúe las ordenaciones necesarias. El resultado de este tratamiento u operación se deposita en el registro acumulador de la ALU.

5-      Finalmente se incrementa en uno el contenido del contador de programe de manera que coincida con la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

-          Componentes de la unidad de control:

Para realizar sus funciones, la unidad de control además del contador del programa y del registro de instrucción, cuenta con los componentes siguientes:

1-      Descodificador de instrucción.

Se encarga de extraer y analizar el código de la operación de la instrucción en curso contenida en el registro de instrucción.

2-      El reloj.

Va marcando los tiempos de ejecución de los pasos a realizar para cada instrucción. Además se encarga de sincronizar todo el sistema. La velocidad del reloj interno del procesador establece la rapidez con que el procesador puede procesar los datos. La velocidad del reloj se mide en Ghz.

3-      El secuenciador.

Este dispositivo genera ordenes que sincronizadas con los impulsos de reloj hacen que se ejecuten paso a paso y de manera ordenada la instrucción cargada en él.

G)     Unidad aritmético-lógica.

Su función es operar con los datos que recibe siguiendo las órdenes de la unidad de control. Se realizan tanto operaciones aritméticas como operaciones basadas en la lógica booleana (toma de decisiones).

La ALU necesita para llevar a cabo una operación aritmética el código de operación que indique la operación a efectuar por, ejemplo, si queremos realizar una suma ahí que indicar el código de la suma las direcciones de las celdas de memoria en las que se encuentran almacenados el primero y el segundo operando, y la celda en la que se almacenará el resultado de la suma.

Una parte importante de la ALU es la unidad de coma flotante conocida también como coprocesador matemático. La ALU es la encargada de manejar todas las operaciones en coma flotante. Estas operaciones involucran la aritmética, con números fraccionarios, realiza operaciones trigonométricas y logarítmicas.

H)     Memoria principal o RAM: en la memoria principal o RAM (memoria de acceso aleatorio) se almacenan dos tipos de información: el programa o secuencia de instrucciones a ejecutar y los datos que manejan dichas instrucciones. La manipulación de los programas y los datos dirigida por la CPU y más concretamente por la unidad de control.

La RAM está formada por un conjunto de casillas o posiciones de memoria capaces de almacenar un dato o una instrucción, cada casilla contiene 8 bits (1 byte). En la memoria RAM se almacenan los datos y los programas que se ejecutan en ese momento en el ordenador. Cuando se apaga el ordenador el contenido de la RAM desaparece, por eso se dice que la RAM es una memoria volátil. Cada una de las casillas que forman la memoria se identifica con un número; es lo que se conoce como dirección de memoria. Su finalidad es que la unidad de control pueda diferenciar unas casillas de otras.

-          Ejecución de una instrucción: la CPU ejecuta los programas que se encuentran cargados en la memoria principal; estos están formados por un conjunto de instrucciones que a la hora de ejecutar una de ellas se distinguen dos fases: la fase de búsqueda (que consiste en localizar la instrucción a ejecutar dentro de la memoria principal y llevarla a la unidad de control para procesarla) y la fase de ejecución, que es la realización de las acciones que llevan asociadas las instrucciones(por ejemplo una suma o una resta).

-          Jerarquía de las memorias: la memoria se organiza en niveles dependiendo de la capacidad en el ascenso y el coste. El nivel superior estará constituido por memorias muy rápidas, de menor capacidad, tiempo de acceso mínimo y coste alto. Cuanto más pequeño sea el hardware este será más rápido y más caro.

Registros d la CPU: son memorias de baja capacidad pero de muy alta velocidad. Están integrados en el procesador y permite guardar y acceder valores muy usados (generalmente en operaciones matemáticas). El tiempo de acceso es inferior al nanosegundo (10^-9 seg).

·         Memoria caché: de baja capacidad y muy rápida con tiempo de acceso inferiores a los 5 nanosegundos. Se interponen entre el procesador y la memoria RAM. Cuando se accede por primera vez a un dato se hace una copia en la caché; los accesos posteriores a ese dato se realizan a la copia que hay en la caché, logrando que el tiempo de acceso al dato sea menor.

·         Memoria principal (RAM): es más lenta que las anteriores pero de mayor capacidad.

·         Memoria secundaria o de disco: estas son de alta capacidad y oscilan entre varios kilobytes o terabytes. El tiempo de acceso se mide en milisegundos (11^-6). Lo forman los discos duros del ordenador tanto internos como externos, que es donde se almacenan todos los archivos para un uso posterior (los discos duros no son volátiles).

I)        Unidades de entrada y salida: los periféricos.

Los periféricos son dispositivos que se conectan al ordenador y permiten almacenar información y comunicar al ordenador con el mundo exterior. Se pueden clasificar en:

1-. Periféricos de entrada: son los que introducen datos externos al ordenador para su posterior tratamiento por parte de la CPU. Los periféricos de entrada más habituales son teclado, ratón, escáner, cámara web, micrófono, pantalla táctil etc.

2-. Periféricos de salida: son los que reciben información que es procesada por la CPU y la reproduce para que sea perceptible para el usuario, por ejemplo monitor, impresora, altavoces, auriculares, fax etc.

3-. Periféricos de almacenamiento: se encargan de guardar los datos de forma que permanezca para usos posteriores. Pueden ser internos, como un disco duro, o externos, como un CD. Los más comunes son discos duros, grabadora lectora de CD oDVD, blu-ray, memoria flash etc.

4-. Periféricos de comunicación: facilitan la interacción entre dos o más ordenadores o entre un ordenador y otro periférico externo. Entre ellos se encuentra: modem, tarjeta de red, controladores de puertos (puertos serie, paralelos, infrarrojos etc).

J)       Funcionamiento del ordenador.

La memoria ROM (de solo lectura), se usa para grabar la rutina de inicio, el post y los programas de la BIOS. La rutina de inicio son los programas encargados de supervisar de manera automática la puesta en marcha del ordenador cuando se enciende. Verifica la memoria RAM instalada, compruébalos dispositivos periféricos instalados y sincroniza y ponen en posición de inicio los chips del sistema. La BIOS busca y ejecuta en las unidades de disco duro, de disquete de CD los archivos de arranque del sistema operativo.

Cuando encendemos el ordenador la fuente lleva corriente a todos los componentes hardware, incluyendo a la CPU; en el momento en que esta recíbela corriente, envía una orden al chip de la memoria ROM de la BIOS, donde se encuentran grabadas las rutinas del post (autocomprobación diagnostica de encendido o programa de arranque).

Si la BIOS no encuentra nada anormal, continua el proceso de arranque del ordenador. Posteriormente ejecuta instrucciones del sistema operativo trasladándolas a la RAM y aparece la primera pantalla. Una vez arrancado podremos ejecutar cualquier programa (el programa elegido se cargará en la RAM y podremos introducir datos utilizando los periféricos de entrada). Mientras hacemos estas operaciones, la CPU está procesando las instrucciones y datos que están almacenados de forma temporal en la RAM.

Una vez que finaliza el proceso con los datos, obtendremos los resultados dirigiéndolos hacia un dispositivo de salida o almacenando en periféricos de almacenamiento. Una vez guardados los resultados cerramos los programas que se han utilizado con lo que se limpia la RAM y apagamos el ordenador.

2.2 El software del ordenador.

El software es todo aquello que se refiere a los programas y datos almacenados en un ordenador, los programas encargados de dar instrucciones para realizar con el Hardware o para comunicarlo con otro software y los datos necesarios para la ejecución de los programas.

Se puede decir que el software se divide en dos categorías:

-          Software basado en el trabajo que realiza

1)      Software de sistema: aquel que permite que el hardware funcione. Lo forman programas que permiten la administración de la parte física o los recursos del ordenador y es el que interactúa entre el usuario y los componentes hardware del ordenador. Ejemplos: sistemas operativos, controladores de dispositivos etc.

2)      Software de aplicación: lo forman los programas que nos ayudan a realizar tareas específicas en cualquier campo de actividad susceptible de ser automatizado. Este software hace que el ordenador sea una herramienta útil para el usuario. Ejemplos: aplicaciones ofimáticas, de contabilidad etc.

3)      Software de programación y desarrollo: es el que proporciona el programador herramientas para ayudarle a escribir programas informáticos y a usar diferentes lenguajes de programación de forma práctica. Ejemplos:

-          Software basado en el método de distribución

Entre estos se encuentra el software desarrollado por compañías y vendido principalmente por distribuidores

1)      Shareware: modalidad de distribución de software para que el usuario pueda evaluar de forma gratuita por un tiempo especificado. Ejemplos: antivirus, compresores etc.

2)      Freeware:

3)      Software multimedia: el software multimedia se refiere a los programas utilizados para presentar de una forma integrada textos, gráficos, sonidos y animaciones. Se usa sobre todo en el ámbito educativo. Ejemplos:

4)      Software de uso específico: Es el que se desarrolla especialmente para resolver un problema determinado de una organización o persona. Ejemplos: gestión de un videoclub etc.

2.3 El sistema operativo

Es el programa o conjunto de programas que controlan el funcionamiento del hardware, ofrecen al usuario un modo sencillo de acceso al ordenador, coordinan y jerarquizan todos los procesos que se llevan a cabo en un ordenador, y los periféricos (escritura, lectura, entrada, salida).

Un sistema operativo se puede encontrar en la mayoría de los aparatos electrónicos que utilicen microprocesadores para funcionar (ordenadores, móviles).

El sistema operativo se compone de un conjunto de programas que se incluyen en este conjunto de software.

1)      Núcleo o carnet: representa las funciones básicas del sistema operativo, se encarga de la carga inicial (programa de arranque) se encarga de planificar el trabajo de la CPU, administrar los periféricos, la comunicación entre procesos, administrar la memoria y administrar los archivos.

2)      El intérprete de comandos o Shell: posibilita la comunicación con el sistema operativo a través de un lenguaje de control, permitiendo al usuario controlar los periféricos sin conocer las características del hardware utilizado. Es un interface entre la CPU y el usuario. Cuando le pedimos algo al ordenador el Shell se encarga de traducirlo en llamada a los programas que componen el carnet y este acciona el Hardware.

3)      El sistema de archivos: permiten que los archivos se reciclen en una estructura arbolea.

2.3.1 Funciones del sistema operativo

Los recursos hardware del ordenador son el procesador, la memoria principal, los discos y los periféricos. Si varios usuarios están utilizando el mismo ordenador, debe haber algo que asigne los recursos y evite los conflictos que puedan surgir cuando dos programas requieran los mismos elementos (la misma unidad de disco, o la impresora por ejemplo); de esto se encarga el sistema operático.

Las funciones más importantes son las siguientes:

·         Dispone de un interface (elemento que hace posible la fácil comunicación usuario/maquina) que libera al usuario del conocimiento del hardware. Los sistemas operativos Windows y distribuciones Linux constan de interface gráficas GUI, permitiendo al usuario interactuar con el hardware de una forma sencilla y rápida.

·         Reconoce los componentes instalados en el ordenador y hace que estos puedan ser utilizados.

·         Administran la información gestionando el sistema de archivos y las autorizaciones de acceso a archivos, a usuarios y a aplicaciones.

·         Maneja puertos de interrupción para darle prioridad a un programa sobre otro.

·         Administra la memoria, gestiona el espacio de memoria asignado para cada aplicación y para cada usuario. Cuando la memoria física es insuficiente, el sistema operativo puede crear una zona de memoria en el disco duro denominada memoria virtual. La memoria virtual permite ejecutar aplicaciones que requieren una memoria superior  a la memoria RAM….

·         Gestiona de manera eficiente los recursos del sistema, controlando el acceso de los programas a los recursos materiales a través de los drivers, asignando a los programas los recursos que estos necesitan para funcionar, garantizando que los recursos sean utilizados solo por los programas y usuarios que tengan las autorizaciones correspondientes.

2.3.2          Clasificación de los sistemas operativos.

Los sistemas operativos se pueden clasificar atendiendo a los siguientes criterios:

·         Respecto del modo de trabajo del usuario

-          Online o interactivos

-          Offline o por lotes

Los sistemas bach se caracterizan porque una vez introducida una tarea en el ordenador, el usuario no mantiene ningún contacto con ella hasta que finaliza su ejecución.

·         Respecto del número de usuarios: monousuarios y multiusuarios.

En los primeros se puede acceder al ordenador mediante un terminal.

Los monousuarios soportan el trabajo de varios usuarios compartiendo una misma máquina.

·         Respecto del propósito o uso que quieran dar los usuarios al ordenador: de propósito específico o general. U ejemplo de sistema de propósito específico es un sistema de tiempo real; estos sistemas se usan en entornos en donde se deben aceptar y procesar en tiempo breve un gran número de sucesos y ejemplos de dichas aplicaciones las tenemos en industria, control de vuelo y simulaciones en tiempo real. Los sistemas de propósito general se caracterizan por tener un gran número de usuarios trabajando sobre un amplio abanico de aplicaciones.

·         Respecto del número de procesadores, los ordenadores con más de una CPU se clasifican en multiprocesadores y en sistemas distribuidos. En un sistema distribuido tenemos varios procesadores con su propia memoria. En los sistemas distribuidos ahí un conjunto de ordenadores conectados entre sí, de forma que la ejecución de aplicaciones en uno de ellos no depende de donde este situada. Incluso permite montar estructuras cliente/servidor.