Читать книгу Instalación y actualización de sistemas operativos. IFCT0309 - Enrique Bellido Quintero - Страница 6
ОглавлениеCapítulo 1
Arquitecturas de un sistema microinformático
1. Introducción
Durante este capítulo se conocerá la arquitectura y el funcionamiento de los sistemas microinformáticos, además de cómo es transferida la información del equipo informático al usuario o viceversa.
Se estudiará también qué dispositivos informáticos permiten introducir información al sistema o recibir información, y cuáles de ellos pueden almacenar información tanto dentro como fuera del sistema microinformático.
A lo largo del capítulo se observará que, gracias a la evolución constante de la tecnología, las prestaciones de los sistemas microinformáticos son cada vez más útiles y sencillas para los usuarios.
2. Esquema funcional de un ordenador
A pesar de que los primeros ordenadores no se parecen en casi nada a los actuales, su esquema de funcionamiento sigue siendo muy similar o idéntico en la mayoría de ellos.
2.1. Subsistemas
Funcionalmente, se pueden distinguir dos arquitecturas:
1 Arquitectura Von Neumann.
2 Arquitectura Harvard.
Arquitectura Von Neumann
La ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) fue el primer ordenador de uso general en todo el mundo. Su principal inconveniente era que había que programarlo manualmente mediante conmutadores y conectando y desconectando cables. El proceso de programación podría ser más fácil si el programa se representaba en una forma adecuada para ser guardado en la memoria junto con los datos.
Entonces, la computadora conseguiría sus instrucciones leyéndolas de la memoria, y se podría hacer o modificar un programa escribiendo en una zona de memoria.
Esta idea, conocida como concepto de programa almacenado, se atribuye a los diseñadores de la ENIAC, sobre todo a John von Neumann. En 1946, Von Neumann y sus amigos empezaron el diseño de la nueva computadora que llamaron IAS y que terminaron en 1952, siendo el prototipo de toda una secuencia de computadoras de uso general.
Nota
Salvo rara excepción, todos los ordenadores de hoy día tienen la misma estructura general y el funcionamiento que las máquinas de Von Neumann.
La memoria de la IAS consiste en 1.000 localidades de almacenamiento, llamadas “palabras de 40 bits”, guardando tanto instrucciones como datos. Cada palabra podía contener un número representado con un bit de signo y 39 de magnitud, o bien dos instrucciones de 20 bits cada una.
La unidad de control de la IAS trae instrucciones de la memoria y las ejecuta una por una.
La imagen anterior muestra que tanto la unidad de control como la unidad aritmético-lógica (ALU) contienen localidades de almacenamiento llamadas registros, definidos de la siguiente manera:
1 Registro temporal de memoria, buffer (MBR): contiene una palabra que debe ser almacenada en memoria, o recibe una palabra procedente de la memoria.
2 Registro de dirección de memoria (MAR): especifica la dirección de memoria de la palabra que va a ser escrita o leída en MBR.
3 Registro de instrucción (IR): contiene el código de operación de la instrucción que se va a ejecutar.
4 Registro temporal de instrucción (IBR): almacena temporalmente la instrucción contenida en la parte derecha de una palabra.
5 Contador de programa (PC): contiene la dirección de la siguiente pareja de instrucciones que se traerán de memoria.
6 Acumulador (AC) y Multiplicador cociente (MQ): se emplean para almacenar temporalmente operandos y resultados de operaciones de la ALU.
Virtualmente, todas las computadoras se han diseñado basándose en los conceptos desarrollados por Von Neumann. Tal diseño se conoce como arquitectura de Von Neumann y se basa en tres conceptos clave:
1 Los datos y las instrucciones se almacenan en una sola memoria de lectura-escritura.
2 Los contenidos de esta memoria se direccionan indicando su posición, sin considerar el tipo de dato contenido en la misma.
3 La ejecución se produce siguiendo una secuencia de instrucción tras instrucción (a no ser que dicha instrucción se modifique explícitamente).
Arquitectura Harvard
La arquitectura Harvard tiene memoria de programa o instrucciones y memoria de datos separadas, y se accede a ellas a través de buses separados. La instrucción se trae a la CPU en un solo acceso a la memoria de programa. Mientras tanto, el bus de datos está libre y se puede acceder a través de él a los datos que se necesitan para ejecutar la instrucción de programa anterior a la memoria de programa que se está trayendo en ese momento.
Nota
El tiempo de acceso se mejora respecto a la arquitectura Von Neuman, donde programa y datos llegan a la CPU usando el mismo bus.
3. La unidad central de proceso y sus elementos
La unidad central de proceso o CPU es el cerebro del ordenador, la parte más importante. Es un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones, es decir, es donde se producen la mayoría de cálculos. Las funciones de la CPU son ocuparse y llevar el control y el proceso de datos en los ordenadores.
Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. El microprocesador de la CPU está formado por:
1 Unidad de control: controla el funcionamiento de la CPU y, por tanto, del ordenador (controla y ejecuta las instrucciones).
2 Unidad aritmético-lógica (ALU): realiza cálculos y comparaciones y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole).
3 Una serie de registros: donde se almacena información.
Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado “bus”.
Microprocesador Intel Core i7
3.1. Memoria interna: tipos y características
Tradicionalmente se ha hablado de dos memorias principales en un PC: la memoria ROM y la memoria RAM.
Nota
La memoria ROM es una memoria de solo de lectura, totalmente inalterable. Es necesaria para arrancar.
La memoria ROM es de almacenamiento permanente e inmodificable. La memoria RAM es el área de trabajo real del PC y es volátil. La ROM es una memoria “semiprogramable” que permite personalizar, mediante un subprograma almacenado en ella, ciertas funciones del PC para adaptarlo a los diferentes componentes de los que está constituido.
Memoria ROM
La memoria RAM es como un escritorio con cajones donde se ordena la información. La importancia de esta memoria es tan grande que, si está ausente, el ordenador no arranca: no hay sonido, ni cursor en pantalla, ni luces que se enciendan o se apaguen.
La memoria RAM es el lugar físico donde se guardan las instrucciones y la información que está siendo utilizada y ejecutada en el momento. Este guardado se realiza automáticamente, y hay que tener en cuenta que, cuando el ordenador se reinicia o se apaga, toda la información se pierde: es una memoria volátil. La RAM es como una pizarra donde se copian datos y trabajos que se están haciendo en ese programa.
La memoria RAM está constituida por un conjunto de chips donde el microprocesador puede leer o escribir datos. Posee muchos renglones, cualquiera de ellos puede elegirse para escribir, leer o borrar datos.
Memoria RAM
Nota
Estas memorias necesitan tensión para mantener sus datos y, por eso, al apagar el ordenador. se pierde todo su contenido.
El tiempo que tarda la RAM en entregar el dato solicitado se llama “tiempo de acceso” y es medido en nanosegundos. El conjunto de chips que conforman la RAM principal se encuentra conectado a los tres buses (direcciones, datos y control) para poder intercambiar datos con el microprocesador.
Cualquiera de los renglones de memoria puede ser elegido por él al poner en el bus de direcciones una dirección específica (número de renglón). A su vez, por el bus de control, se indica el chip de memoria seleccionado para trabajar, y si el proceso es de escritura o de lectura. Los datos fluyen por el bus de datos, ya sea de la memoria al microprocesador o a la inversa. Los chips de memoria poseen muchas posiciones, cada una de ellas es una dirección de memoria.
Nota
Cada depósito de un dato en la memoria (operando, resultado, etc.) se ubica por una dirección en hexadecimal.
3.2. Unidades de entrada y salida
Las unidades de entrada/salida son la colección de interfaces que usan las distintas unidades funcionales (subsistemas) de un sistema de procesamiento de información para comunicarse unas con otras, o las señales (información) enviadas a través de esas interfaces. También se pueden encontrar abreviadas: E/S o I/O (del original en inglés: input/output).
Las entradas son las señales recibidas por la unidad, mientras que las salidas son las señales enviadas por esta. El término puede ser usado para describir una acción. “Realizar una entrada/salida” se refiere a ejecutar una operación de entrada o de salida.
En arquitectura de sistemas microinformáticos se puede considerar entrada/salida a cualquier movimiento de información desde o hacia la combinación de una unidad central de procesamiento (CPU) y memoria principal. La CPU y su circuito complementario disponen de métodos de entrada/salida que se usan en programación de bajo nivel para la implementación de controladores de dispositivos.
Los dispositivos de E/S los usa una persona u otro sistema para comunicarse con un ordenador. Si se habla de dispositivos de entrada y salida, cabe destacar los siguientes conceptos y dispositivos:
Dispositivos de entrada
Permiten introducir la información necesaria para que el usuario pueda comunicarse con el ordenador y pueda decirle qué quiere que haga. Entre los más habituales se encuentran:
1 El teclado.
2 El ratón.
3 El escáner.
4 La webcam.
5 El micrófono.Escáner
Dispositivos de salida
Muestran los resultados producidos por el ordenador para que el usuario sea capaz de decidir si son correctos o no. En esta categoría se pueden citar:
1 La pantalla.
2 Los altavoces.
3 Las impresoras.
4 El proyector.Proyector
Dispositivos de entrada y salida
Por último, estos dispositivos pueden tanto introducir información en el ordenador como recibir el resultado después de los cálculos y las operaciones efectuadas por el ordenador. Cabe destacar en este grupo:
1 Las pantallas táctiles.
2 Las unidades de almacenamiento (CD y DVD regrabables, discos duros, pendrives, etc.).
3 Las tarjetas de memoria.
4 El módem/router.
5 El wifi.Tarjetas de memoria
3.3. Dispositivos de almacenamiento: tipos y características
La informática y la tecnología en general avanzan a gran velocidad, dejando, en algunos casos, obsoletos dispositivos con muy poco tiempo. Pues bien, con los dispositivos de almacenamiento, los avances que se producen día a día son: mayor capacidad, menor tamaño y, en algunos, como los USB, mayor velocidad de transmisión.
En los siguientes apartados se verán los dispositivos de almacenamiento actuales más utilizados y sus características.
Clasificación de los dispositivos de almacenamiento
Los dispositivos de almacenamiento se pueden clasificar de acuerdo al modo de acceso a los datos que contienen:
1 Acceso secuencial: el elemento de lectura del dispositivo debe pasar por el espacio ocupado por la totalidad de los datos almacenados previamente al espacio ocupado físicamente por los datos almacenados que componen el conjunto de información a la que se desea acceder.
2 Acceso aleatorio: el elemento de lectura accede directamente a la dirección donde se encuentra almacenada físicamente la información que se desea localizar sin tener que pasar previamente por la almacenada entre el principio de la superficie de grabación y el punto donde se almacena la información buscada.
Dispositivos magnéticos
El más destacado y utilizado es el disco duro. Son en la actualidad el principal subsistema de almacenamiento de información en los sistemas informáticos. Es un dispositivo encargado de almacenar información de forma persistente en un ordenador, es considerado el sistema de almacenamiento más importante del computador y en él se guardan los archivos de los programas.
Disco duro
Los discos duros son una fuente de almacenamiento fiable y hoy en día se han convertido en la opción más económica a la hora de guardar grandes cantidades de datos.
Los discos duros son resistentes a fallos de software, a golpes y es bastante difícil que se produzcan fallos en el hardware y se pierda información por ello.
Ejemplo
Si el sistema operativo se cierra mal por un corte de luz, la mayoría de las veces se podrá arrancar el ordenador sin temor a pérdidas de datos.
Además de en los ordenadores, se pueden encontrar discos duros en varias consolas de videojuegos. Desde hace algún tiempo han aparecido los llamados “discos duros multimedia”, que permiten almacenar fotos y vídeos principalmente sin necesidad de usar un ordenador
Dispositivos ópticos
1 CD-R: disco compacto de unos 650 MB de capacidad. Puede ser leído todas las veces deseadas, el inconveniente es que es fácil dañar la zona
2 de lectura. Una vez grabado, es imposible modificar los datos contenidos. Se suelen utilizar para guardar archivos e información variada.
3 CD-RW: disco compacto idéntico al CD-R en forma y capacidad, con la diferencia de que puede ser regrabado. Puede grabar información de discos CD-R y CD-RW y leer discos CD-ROM y CD de audio. Las interfaces soportadas son EIDE, SCSI y USB.
4 DVD-ROM: disco compacto con unos 4,7 GB de almacenamiento en una sola cara del disco. Su almacenamiento es notablemente superior al de los CD-R y CD-RW. Al poco tiempo se desarrollaron los DVD-ROM de doble cara, los cuales disponen de dos caras de almacenamiento y, por una serie de medios, permite a las unidades leer hasta cuatro niveles de datos almacenados en las dos caras del disco, por lo que se estaría hablando de 17 GB de almacenamiento. Las unidades DVD-ROM leen sin ningún inconveniente, ni software añadido, CD-R y CD-RW.
DVD ROM
1 DVD-RAM: estos discos disponen de una capacidad de unos 2,6 GB en una cara y 5,2 GB si se trata de doble cara. Los DVD-RAM leen cualquier disco CD-R o CD-RW, pero no permiten escribir sobre estos. Los DVD-RAM se pueden volver a grabar, pero hay que tener en cuenta que no pueden ser leídos por unidades DVD-ROM.
Dispositivos extraíbles
Aunque se ha comentado que los discos duros son el dispositivo estrella para guardar la información, es cierto que las tarjetas de memoria, y posteriormente los pendrive o lápices de memoria, se han convertido en una especie de discos duros pequeñitos que se pueden llevar en todo momento con uno mismo para tener la información que se necesite o para poder guardar nueva información de otros equipos.
El pendrive, memory flash o lápiz de memoria es un pequeño dispositivo de almacenamiento que utiliza la memoria flash para guardar la información sin necesidad de pilas. Los pendrive son resistentes a los rasguños y al polvo, que han afectado a las formas previas de almacenamiento portable como los CD y los antiguos disquetes. Los sistemas operativos actuales pueden leer y escribir en ellos sin necesidad de controladores especiales.
Pendrive
Las tarjetas de memoria aparecieron como solución para almacenamiento de información en las cámaras de fotos y los teléfonos móviles, pero enseguida se vio su utilidad para el almacenamiento en los ordenadores.
En un principio hubo muchos tipos de tarjetas distintas, lo que fomentó la aparición de lectores de los múltiples formatos. Hoy en día, las tarjetas de memoria de tipo MMC y SD se han convertido en el estándar usado por la mayoría de los usuarios.
Ante el aumento de capacidad y de velocidad de acceso de estas tarjetas, hay sectores que se preguntan ya si no desbancarán a los discos duros a medio plazo.
Tarjeta de memoria SD
Nota
A día de hoy no está aún claro si es una posibilidad real y si la industria y los consumidores elegirán esa opción mayoritariamente.
4. Buses
El bus es la vía a través de la que se van a transmitir y recibir todas las comunicaciones, tanto internas como externas, del sistema informático.
Es el conjunto de líneas de hardware (cables) utilizadas para la transmisión de datos entre los componentes de un sistema informático. Un bus conecta diferentes partes del sistema como el procesador, la controladora de unidad de disco, la memoria y los puertos de entrada/salida, permitiéndoles transmitir información. El bus, por lo general, es supervisado por el microprocesador.
El bus es solamente un dispositivo de transferencia de información entre los componentes conectados a él, no almacena información alguna en ningún momento.
Nota
Los datos se transfieren en forma de señal eléctrica, y solo permanecen en el bus el tiempo que necesitan para recorrer la distancia entre los dos componentes implicados en la transferencia.
4.1. Tipos y características
Según el método de envío de información, existen dos tipos: el bus paralelo y el bus serie.
Bus paralelo
El bus paralelo permite transmitir varios bits simultáneamente. En él se definen tres líneas especializadas:
1 El bus de datos: mueve los datos entre los dispositivos del hardware de entrada, como el teclado, el escáner o el ratón; de salida, como la impresora o el monitor, y de almacenamiento, como el disco duro o el pendrive. Se trata de un bus bidireccional.
2 El bus de direcciones: está vinculado al bloque de control de la CPU para tomar y colocar datos en el subsistema de memoria durante la ejecución de los procesos de cómputo. Se trata de un bus unidireccional.
3 El bus de control: transporta señales de estado de las operaciones efectuadas por la CPU con las demás unidades. Se trata de un bus bidireccional, ya que también transmite señales de respuesta del hardware.
Bus serie
El bus serie envía los datos bit a bit, por lo que resulta lento. La principal ventaja de una conexión en bus serie es que resulta eficaz a distancias largas, mientras que las conexiones en paralelo están limitadas a tres metros entre la CPU y el dispositivo externo.
5. Correspondencia entre los subsistemas físico y lógico
Un sistema microinformático se divide o se compone de los subsistemas físico y lógico.
El subsistema físico se compone del conjunto de elementos que hacen posible el tratamiento de la información por medios electrónicos. Es la parte física de un ordenador. Entre ellos cabe destacar:
1 El procesador: equivale a la CPU y realiza todo el trabajo de tratamiento de la información.
2 El subsistema de E/S: se encarga de la gestión de la E/S. Lo forman los procesadores de entrada y salida, que dirigen estas funciones, los controladores de los periféricos, encargados del manejo de estos, y los propios periféricos, unidades que realizan, según su tipo, operaciones de entrada, salida o almacenamiento.
3 El subsistema de comunicaciones: encargado de las conexiones entre sistemas informáticos. Está formado por los procesadores de comunicaciones, que realizan estas operaciones en lugar del procesador, y los componentes del sistema de comunicaciones: los canales físicos, módems, concentradores, multiplexores, etc.
El subsistema lógico está compuesto por:
1 Los programas de control: permiten realizar las operaciones internas de forma transparente al usuario.
2 Los programas de servicio: proporcionan un entorno adecuado para la ejecución de aplicaciones del usuario.
Aplicación práctica
Un operario está realizando el montaje físico de un ordenador y únicamente le queda decidir e instalar los dispositivos de almacenamiento a partir de las condiciones establecidas por un cliente.
El cliente ha solicitado poder realizar, como mínimo, las siguientes funciones:
1 Grabar externamente proyectos relacionados con la construcción de al menos 10 GB.
2 Pasar rápidamente fotografías de la tarjeta de una cámara de fotos al ordenador.
3 Suficiente capacidad en el ordenador para guardar copias de seguridad.
4 Algún medio externo en el que pueda guardar, modificar y transportar datos, informes y documentos de poca capacidad rápidamente.
Realice una tabla en la que se especifiquen y relacionen las unidades y los dispositivos necesarios con cada característica exigida por el cliente.
SOLUCIÓN
| Característica exigida | Dispositivos o medios necesarios |
| Grabar proyectos de al menos 10 GB. | Instalar una unidad lectora y grabadora de DVD-ROM, y poner a disposición del cliente varios discos DVD-ROM de doble cara. |
| Pasar fotos de la tarjeta de la cámara al ordenador rápidamente. | Instalar un lector de tarjetas SD y MMC. Dejar a disposición del cliente alguna tarjeta MMC o SD según las características de la cámara. |
| Capacidad en el PC para guardar copias de seguridad. | Instalar un disco duro de alta capacidad. Actualmente existen disco duros de hasta 1TB, equivalente a 1.000 GB. |
| Medio externo para archivos de poca capacidad rápidamente. | Instalar, al menos, tres conectores USB. Dejar al cliente un pendrive de unos 8 GB. |
Aplicación práctica
El mismo cliente de la aplicación práctica anterior, un tiempo después de estar trabajando con su equipo informático y ver que todo está correctamente, ha solicitado complementar y mejorar las funciones del mismo.
Esta vez, los requisitos solicitados están relacionados con las unidades de entrada y salida, y son:
1 Disponer de conexión a internet de manera inalámbrica, ya que actualmente solo puede conectarse mediante cable.
2 Ver imágenes y diapositivas en una pantalla de 2,5 × 1,5 m.
3 Convertir la pantalla de 2,5 × 1,5 m en una pantalla táctil.
4 Poder realizar videoconferencias.
A partir de esta información, indique qué dispositivos son necesarios para cada requisito y si estos son dispositivos de entrada, salida o entrada/salida.
SOLUCIÓN
1 Para disponer de conexión a internet habría que instalar un wifi al ordenador y disponer de un router (si no se dispone aún de él). Ambos dispositivos son de entrada/salida
2 Para ver imágenes y diapositivas en una pantalla de las dimensiones indicadas es necesario disponer de un proyector. Es un dispositivo de salida.
3 Para convertir la pantalla en táctil será necesario disponer de una pizarra digital. Es un dispositivo de entrada/salida
4 Poder realizar videoconferencias hay que disponer de una webcam y un micrófono. Ambos son dispositivos de entrada.
6. Resumen
Las dos arquitecturas principales de los sistemas microinformáticos son la de Von Neumann y la de Harvard. Su principal diferencia es que la de Von Neumann utiliza el mismo dispositivo de almacenamiento para instrucciones y datos, mientras que la de Harvard utiliza dispositivos de almacenamiento físicamente separados para instrucciones y datos.
La CPU se puede considerar la parte central de un sistema microinformático, ya que se ocupa del control y el proceso de datos de un ordenador.
También se han estudiado los diferentes tipos de memoria interna, como las RAM o ROM, y los dispositivos de almacenamiento, como los discos duros.
De los buses, lo más destacado es la diferencia entre el bus paralelo y el bus serie. El primero permite transmitir varios bits simultáneamente, mientras que el segundo solo transmite bit a bit, por lo tanto es más lento, pero permite transmitir a mayores distancias.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. El bus serie envía los datos...
1 ... varios bit por línea.
2 ... un byte por cada bit.
3 ... bit a bit.
4 ... bit a byte.
2. Indique si la siguiente afirmación es verdadera o falsa.
Los DVD-RAM son capaces de leer cualquier disco CD-R o CD-RW, pero no de escribir sobre estos.
1 Verdadero
2 Falso
3. ¿Qué función realiza el acumulador (AC)?
1 Almacena temporalmente operandos y resultados de operaciones de la ALU.
2 Contiene la dirección de la siguiente pareja de instrucciones que se traerán de memoria.
3 Almacena temporalmente la instrucción contenida en la parte derecha de una palabra.
4 Contiene el código de operación de la instrucción que se va a ejecutar.
4. La unidad de control...
1 ... controla el funcionamiento de la CPU.
2 ... realiza cálculos y comparaciones.
3 ... toma decisiones lógicas.
4 ... almacena información.
5. ¿Cuál de los siguientes dispositivos son de entrada?
1 Micrófono.
2 Proyector.
3 Ratón.
4 Pantalla.
6. Un DVD-ROM en una cara tiene una capacidad en torno a...
1 ... 650 MB.
2 ... 4,7 GB.
3 ... 5,7 GB.
4 ... 17 GB.
7. ¿De qué líneas está compuesto el bus paralelo?
1 Dirección.
2 Control.
3 Instrucción.
4 Datos.
8. Los programas de servicio...
1 ... permiten realizar las operaciones internas de forma transparente al usuario.
2 ... son los encargados de las conexiones entre sistemas informáticos.
3 ... se encargan de la gestión de la E/S.
4 ... proporcionan un entorno adecuado para la ejecución de aplicaciones del usuario.
9. Los programas de control...
1 ... permiten realizar las operaciones internas de forma transparente al usuario.
2 ... son los encargados de las conexiones entre sistemas informáticos.
3 ... se encargan de la gestión de la E/S.
4 ... proporcionan un entorno adecuado para la ejecución de aplicaciones del usuario.
10. La memoria ROM...
1 ... es una memoria de solo de lectura, totalmente inalterable. Necesaria para arrancar.
2 ... es una memoria de solo de lectura, totalmente inalterable. No necesaria para arrancar.
3 ... es el lugar físico donde trabaja el procesador al abrir un programa.
4 ... pierde todo su contenido al apagar el ordenador.
