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I.E.S. Profesor Hernández Pacheco.
Tec. de la Información . Bloque 1
Bloque 1. INTRODUCCIÓN.
Unidad 1. Informática. Conceptos e historia. Conceptos fundamentales: -
Informática.
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Ordenador.
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Programa. Hardware y software.
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Un poco de historia: -
Ábaco, calculadoras mecánicas, máquinas electromecánicas.
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De las generaciones de ordenadores a la actualidad.
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La computación cuántica.
máquina
analítica
y
Unidad 2. Componentes físicos de un ordenador.
El ordenador y sus periféricos. El cerebro de la máquina: la CPU. La memoria. Relación entre ellos.
Unidad 3. Sistemas de numeración. Sistema binario.
Representación de la información. El bit. Sistemas decimal y binario. Operaciones básicas en el sistema binario. Otros sistemas de numeración. Operaciones. Conversión entre sistemas.
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Unidad 1 Informática. Conceptos e Historia
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1.- Conceptos fundamentales. Informática. 1962. Contracción de las palabras información automática. Ciencia que estudia el tratamiento automático y racional de la información.
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Ordenador. máquina digital electrónica controlada por un programa (compuesto por instrucciones elementales que la máquina puede interpretar), que se utiliza para el procesamiento de la información.
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Hardware y Software. Hardware soporte físico. Hace referencia a todos los elementos físicos que componen un ordenador (procesador, disco duro, etc.). Software soporte lógico. Formado por el conjunto de programas que introducimos en el ordenador para llevar a cabo distintas tareas (SSOO, compiladores, software de aplicaciones, etc.).
2.- Un poco de historia. Aunque relativamente reciente, como otras disciplinas, la informática se basa en la historia del pensamiento y saber humanos: Ábaco. Primeros instrumentos de cálculo (2600 a. C.). Evolución natural de métodos primitivos de agrupamiento. Formados por varillas sobre las que se desplazan unas bolitas de madera, con las que se pueden representar cifras y operaciones aritméticas. Ver: imágenes de ábacos en Google Calculadoras mecánicas. Siglo XVII. Ruedas dentadas y encadenamiento de engranajes. Basadas en la idea de mecanizar el ábaco. Las más conocidas: la de Pascal (sumadora/restadora) y la de Leibniz (las 4 operaciones básicas). Ver: imágenes de calculadoras mecánicas en Google Máquina analítica de Babbage (Desde 1816 a 1871). Se construyó parcialmente debido a las limitaciones tecnológicas de la época. Precursora de los ordenadores actuales. 4 partes: - Elementos de entrada. - Dispositivo de almacenamiento. - Unidad de control. - Elementos de salida. Ver: máquina de Babbage -2-
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Máquina de Hollerit (1890). Detectaba, tabulaba y clasificaba según unas perforaciones realizadas en una ficha. Estas máquinas se fueron perfeccionando hasta llegar a la construcción del MARK 1 por Howard H. Aiken basándose en la idea de la máquina de Babbage Visita: http://www.danielclemente.com/apuntes/asai/hh.html - Generaciones de ordenadores. Los cambios que se producen desde el punto de vista electrónico hacen que la historia moderna de los ordenadores se haya producido en base a grandes descubrimientos, haciendo que una tecnología que era punta en un determinado momento, cinco años más tarde fuera obsoleta; por eso se utiliza el término generación para delimitar estos cambios. -
1ª generación. Basada en la utilización de válvulas electrónicas de vacío. 1941-45.- ENIAC: Primer computador electrónico. Estaba compuesto de 17.468 válvulas o tubos de vidrio al vacío (más resistencias, condensadores, etc.), con 32 toneladas de peso, 2.40m. de ancho y 30m. de largo. Utilizaba tarjetas perforadas para introducir los datos. El calor de las válvulas elevaba la temperatura del local hasta los 50º. Para efectuar diferentes operaciones, debían cambiarse las conexiones (cables) como en las viejas centrales telefónicas, lo cual era un trabajo que podía llevar varios días. Su programación era manual. Imágenes del ENIAC: http://es.wikipedia.org/wiki/ENIAC 1945.- J. Von Newman. Retoma las especificaciones de Babbage e incorpora la idea de programa almacenado. Sentó las bases de los ordenadores actuales que culminaron con la construcción del EDVAC. Alan Turing. Es considerado uno de los padres de la computación moderna y el precursor de la informática actual. Trabajo en la formalización de los conceptos de algoritmo y computación. Propuso su teórica Máquina de Turing que ya hablaba de programa almacenado en memoria.
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2ª generación. 1957. Sustitución de los tubos de vacío por transistores e implantación definitiva de las memorias de ferrita. Con esta generación se consigue disminuir el precio y el consumo, una duración prácticamente ilimitada y la velocidad operativa se empieza a medir en microsegundos. En este periodo se construyo el Univac 1, primera computadora fabricada para un propósito NO militar. Wikipedia: UNIVAC 1
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Utilizaban pequeños anillos de ferrita para almacenar la información (se usaron más de 20 años). Núcleos de Ferrita: http://www.lsi.us.es/~rovayo/ferrita/ferrita_pf.html -
3ª generación. Arranca en 1965 con la aparición de los chips o circuitos integrados (pastillas de silicio), que son microcircuitos capaces de realizar las funciones de cientos de transistores. Las dimensiones de los ordenadores disminuyen y la velocidad de proceso se empieza a medir en nanosegundos. Con esta generación: – Se desarrollan periféricos más eficaces – SSOO más potentes – Lenguajes de programación llamados universales. – Comienzan a estandarizarse los programas para crear software.
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4ª generación y 5ª generación. A partir de 1970 aparecen los denominados miniordenadores, que incorporan circuitos integrados de media (MSI) y gran escala de integración (LSI), que da paso a la construcción de los microprocesadores. Posteriormente aparecieron microprocesadores con circuitos integrados VLSI. En los años 80 aparecen los primeros ordenadores personales, con un precio asequible para pequeñas empresas y uso personal. Con los PC de IBM, en constante evolución, la informática se ha extendido enormemente y el desarrollo de aplicaciones ha sufrido un incremento considerable. A principios de los 80 surge la red Internet, a partir de la red militar Arpanet, y rápidamente se extiende al mundo universitario. En los años 90 se empieza a instalar en las empresas y poco a poco se va introduciendo en el ámbito particular. Se buscan nuevas tecnologías para que el acceso se haga de forma más rápida y estable. Aparecen: - Los módems para líneas RTB - Las líneas digitales de servicios integrados (RDSI) - La tecnología xDSL. A finales de la década de los 90, el uso de redes (redes de área local, Internet, etc.) se generaliza. A partir de 2002 comienza a implantarse la tecnología inalámbrica (WiFi) aplicable a distintos dispositivos (ratones, teclados...) y que permite la conexión de unos ordenadores con otros sin necesidad de cables. Desde 2005 se ha investigando y experimentado con nuevos sistemas inalámbricos de largo alcance: sistemas WiMAX. También se ha trabajando en la utilización de las redes eléctricas como posible soporte para la telecomunicación de altas velocidades de transmisión. -4-
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Computación cuántica. La computación cuántica es un paradigma o modelo de computación distinto al de la computación clásica y surge en el límite de la ésta: el tamaño de los chips no puede seguir reduciéndose indefinidamente. Su idea surgió en los años 80, con el propósito de aplicar las leyes de la mecánica cuánticas en computación. Se basa en el uso de qubits (0, 1 o los dos a la vez) en lugar de bits (0 1), y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Se estima que en 10-15 años se estén comercializando los primeros sistemas cuánticos Wikipedia: Computación cuántica
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Unidad 2 Componentes físicos de un ordenador. Hardware El hardware es la parte física de los ordenadores; es todo aquellos que podemos ver y tocar dentro de un sistema informático: monitor, escáner cables, unidades de memoria, etc. Independientemente de la arquitectura empleada en la realización del ordenador y de la aplicación del mismo, en todo sistema informático siempre se pueden localizar los siguientes elementos: PROGRAMA
Entrada
Memoria
Salida
CPU CHIPSET
Periféricos
La Unidad Central de Proceso (CPU o UCP). La CPU es la encargada del procesamiento de la información. En ella se distinguen: - La Unidad de Control (UC). Verdadero cerebro del ordenador. Su misión es descodificar las instrucciones que componen los programas y ejecutarlas. También es la encargada de controlar y sincronizar el resto de componentes del sistema. - La Unidad Aritmético-lógica (ALU o UAL). Encargada de realizar las operaciones matemáticas y lógicas con toda la información. - Los registros. Pequeños elementos de memoria que utilizan las UC y la ALU para realizar su función. Entre otros destacan: el CP, el acumulador, el RI, etc. Cuando estos elementos se encuentran integrados en un único chip, lo denominamos microprocesador.
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Una característica importante del procesador es la frecuencia que determina su ritmo de trabajo con que realiza las operaciones. Esta frecuencia, marcada por el reloj del sistema y medida en Hz, nos indica el número de operaciones elementales (nº de ciclos) que puede realiza el procesador por unidad de tiempo. Se han fabricado procesadores que funcionan a más de 3.8 GHz. Por ejemplo, un procesador que funcione con una frecuencia de 10Hz puede realizar 10 operaciones elementales por segundo. Se define como la inversa del periodo T, que nos indica el tiempo que tardaría en realizarse una operación elemental.
Evolución de los procesadores
1.1.- Procesamiento paralelo. Procesadores multinúcleo. El procesamiento en paralelo es una realidad desde hace varios anos, puesta en práctica inicialmente en grandes sistemas informático. Paralelamente, y para aprovechar esta característica, se ha venido trabajando en Sistemas Operativos adecuados. En el desarrollo de microprocesadores, la tendencia ha cambiado en los últimos años. Debido a las limitaciones físicas que se estaban poniendo de manifiesto es la construcción de procesadores cada vez más rápidos (calor, tamaño del silicio, etc), se ha optado por fabricar micros multinúcleo que pueden trabajar de forma paralela: Cuore Duo, Cuore 2 Duo, ARM multinúcleo (en smartphones): el Samsung Galaxy S4 integra 8 núcleos basados en la arquitectura ARM
La Memoria. Es el componente donde se encuentra la información que maneja el ordenador y las instrucciones que ejecuta. Dentro de la memoria, hablamos de: -
Memoria principal o memoria RAM (Random Access Memory). Se puede decir que es la verdadera memoria de la máquina. Es donde se almacenan
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temporalmente los datos y los programas con los que se está trabajando en un instante determinado. Todos los programas que se ejecuten y todos los datos que se procese, deben residir en esta memoria. Es una memoria volátil de acceso aleatorio (la información no se distribuye en ella de forma secuencial). Está formada por posiciones de memoria direccionables que almacenan cada una 1 byte normalmente. -
Memoria secundaria. Formada por los dispositivos de almacenamiento no volátil, como unidades de cinta, discos duros, Cds o DVDs. Utilizan una tecnología de almacenamiento diferente a las RAM; normalmente magnética u óptica.
También, los ordenadores incorporan una memoria llamada caché, un tipo de memoria RAM (normalmente alojada en el propio procesador), que se coloca entre la CPU y la memoria principal, para realizar la transición de la información entre ambas más rápidamente. Lógicamente, esta memoria contendrá los datos e instrucciones que la CPU ha utilizado recientemente o va a utilizar próximamente, dependiendo del algoritmo o algoritmos en cuestión que gestionen la memoria y que formarán parte del Sistema Operativo. Se habla entonces de jerarquía de memoria. La información reside inicialmente en la M. secundaria, pasa a la principal y posteriormente a la caché, se procesa en la CPU y hace, si es preciso, el camino de vuelta. M.Caché M.Principal
+ velocidad. + coste. - capacidad.
M.Secundia
A medida que nos movemos de abajo a arriba, la memoria es más rápida pero más costosa y con menor capacidad. Su capacidad se mide en bytes (unidad de medida de información) y en sus múltiplos (ver siguiente unidad). Al igual que en los demás componentes, la fiabilidad, la capacidad o la tecnología de fabricación, han ido mejorando a lo largo de los años.
2.1.- Memoria ROM-Bios y Memoria Virtual. Memoria ROM (Read Only Memory), solo de lectura, es decir, no se puede escribir en ella. Contiene información grabada por el fabricante y es no volátil. La BIOS (Basic Input Output System) es imprescindible para la puesta en funcionamiento del ordenador, ya que contiene las instrucciones a realizar en el chequeo inicial del equipo y la carga y el control posterior del Sistema Operativo.
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La memoria virtual es una técnica de administración de la memoria real que permite al sistema operativo brindarle al software de usuario y a sí mismo un espacio de direcciones mayor que la memoria real o física.
2.1.- Memoria flash o memoria USB. Derivada de las memorias EEPROM, aunque con velocidades mucho mayores al permitir actuar sobre bloques de direcciones en lugar de byte a byte. Los llamados lápices USB se han convertido actualmente en el sistema de almacenamiento y transporte personal de datos. 2.1.- Módulos de memoria. Desde hace tiempo, resulta fácil ampliar la cantidad de memoria RAM de un ordenador; basta con comprar el módulo y conectarlo en la ranura o zócalo correspondiente de la placa madre. Los módulos se pueden clasificar en: a.)
b.) c.)
Módulos SIMM. Ya en desuso, tenían 30 ó 72 contactos. Su capacidad de almacenaje era baja (1, 4, 8, 64 Mbytes) y el tiempo de acceso muy elevado respecto a los actuales. Módulos DIMM. Más alargados, 168 contactos y dos ranuras para guiar su colocación. Capacidad: 128, 256 Mbytes. Módulos DDR (1, 2 y 3) Utilizados actualmente. 184 contactos y una única ranura de colocación. Capacidad elevada: 512 Mbytes, 1 GB.
Los Periféricos o dispositivos de E/S. Son todos aquellos componentes conectados al sistema, que permiten encaminar la información hacia dentro o hacia fuera del ordenador. Podemos clasificarlos en: - Periféricos de entrada. Encargados de canalizar la información al interior del sistema. Entre otros: teclado, micrófono, ratón, lápices ópticos, joystick, escáner, etc. - Periféricos de salida. Son los que permiten la transmisión de la información desde el ordenador al exterior del sistema: la pantalla o monitor, la impresora, los altavoces, etc. - Periféricos de entrada/salida. Aquellos que cumplen las características de los dos anteriores. Permiten doble comunicación: módem, router, tarjetas de red, etc.
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Los dispositivos de almacenamiento secundario, que aquí han sido considerados dentro de los elementos de memoria, pueden ser vistos como elementos periféricos de E/S, ya que, por ejemplo, un pendrive o un CD sirve para proporcionar información al sistema y para que éste la saque al exterior.
3.1- Conectores y puertos de comunicación. Muchos dispositivos de un ordenador (sobre todos los internos) se conectan a la placa base con sus conectores internos específicos. Los dispositivos externos lo hacen mediante conectores externos o puertos: a.)
b.)
c.)
d.) e.)
Puertos Serie. En desuso. Transfieren la información de forma lente. Ventaja: permiten conectar dispositivos bastante alejados de la CPU. Lo habitual era que hubiera dos puertos que se nombraban como COM1 y COM2. Puertos Paralelo. También en desuso. Transferían mayor cantidad de información que un puerto serie: 1 byte en lugar de 1 bit. La diferencia respecto a los puertos serie es que disponen de un número superior de canales internos destinados al bus de datos. Inconveniente: los cables no pueden ser muy largos por las interferencias que se generan entre dichos canales. Los ordenadores solían tener uno: LPT1. Puertos USB. Actualmente son los más utilizados. Son puertos serie de gran velocidad de transmisión. Permiten conectar y desconectar dispositivos sin necesidad de apagar el ordenador. Los USB han evolucionado desde el USB 1.0 , USB 1.1, 2.0 y 3.0 con una velocidad de transmisión de hasta 5 Gbit/s. Puertos IEEE-1394 o Firewire. Tienen una velocidad de transmisión similar a los USB 2 y suelen utilizarse para la transferencia de vídeo. Conector HDMI (High-Definition Multimedia Interface). es un tipo de conexión multimedia de alta definición, llamada a sustituir al conocido Euroconector. Ha sido desarrollado por los principales fabricantes de electrónica de consumo.
Ejercicio: Buscar en Internet imágenes de los distintos puerto de comunicación
3.2- Periféricos, controladores y manejadores (drivers). Dentro de un equipo periférico se distinguen tres partes principales: -
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El equipo en cuestión, encargado de realizar su función. El controlador, cuya tarea será la de acondicionar las características del equipo a las de la CPU. Suele consistir en una tarjeta o bien alojarse dentro del mismo equipo. El manejador o driver, es el elemento lógico que maneja al controlador y al equipo. Puede ser considerado como parte del sistema operativo.
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Unidad 3. Sistemas de numeración. Sistema y códigos binarios.
La representación de la información. El bit. Los ordenadores son máquinas electrónicas que únicamente funcionan bajo impulsos de corriente eléctrica. ¿Cómo podremos introducir en su memoria un número de teléfono o una dirección, si sólo comprenden y trabajan con señales eléctricas?. El ordenador debe capturar la información de entrada y traducirla a su propio lenguaje: un lenguaje binario, en el que sólo se utilizan dos símbolos (0:ausencia de corriente eléctrica y 1:presencia de corriente). Todos los caracteres que nosotros utilizamos (letras, números, @, ¿, ¬, &, etc.) deben ser convertidos en una secuencia de ceros y unos, mediante un proceso de codificación. Posteriormente, una vez procesada la información, nos tendrán que ser devueltos en un lenguaje comprensible para nosotros tras la descodificación. -
bit: Un bit es la unidad mínima de información. Se corresponde con un
dígito binario y puede contener uno de los dos valores posibles (0 ó 1, sí o no, verdadero o falso, ON/OFF). -
byte: Como el bit es una unidad muy pequeña, se suelen utilizar unidades más grandes. Este es el caso del byte = 8 bits.
-
1 Kbyte = 210 bytes = 1024 bytes 1000 bytes = 103 bytes.
-
1 Mbyte = 220 bytes = 1 048 576 bytes 1 000 000 bytes = 106 bytes.
-
1 Gbyte = 230 bytes = 1 073 741 824 bytes 1 000 000 000 bytes = 109
Unidades
Equivalencias
1 byte
8 bits
1 Kbyte
1024 bytes
1 Mbyte
1024 Kbytes = 1024x1024 bytes
1 Gbyte
1024 Mbytes = 1024x1024x1024 bytes
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Sistemas decimal y binario. -
Decimal, 10 dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9. Binario, 2 dígitos: 0 y 1.
Es binario es, como el decimal, un sistema posicional: un dígito tiene más o menos valor dependiendo de la posición que ocupe dentro del número. Por ejemplo, el número decimal 6593: 6 x 103 = 6000 5 x 102 = 500 9 x 101 = 90 6 x 100 = 3 6593
El número binario 100112:
1 x 24 = 16 0 x 23 = 0 0 x 22 = 0 1 x 21 = 2 1 x 20 = 1 19
Veamos la equivalencia entre el sistema decimal y el binario para los 16 primeros números (del 0 al 15): Decimal
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Binario
0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
2.1.-Conversión entre ambos sistemas.
Para convertir un número del sistema binario al decimal se multiplica cada dígito por el peso que tiene asociado y se suman los resultados parciales (operación realizada anteriormente con el número 100112).
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Si la conversión es del decimal al binario, se sigue un proceso de divisiones sucesivas entre 2. Para obtener el resultado, se utiliza el último cociente y todos los restos de las divisiones, escribiéndolos en orden inverso. Conversión del 19 a binario: 19 1
2 9 1
2 4 0
2 2 0
2 1 1 0 0 1 1
Sistemas octal y hexadecimal. -
Octal, 8 dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Hexadecimal, 16 dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E y F.
Al igual que el binario y el decimal, el octal y el hexadecimal son sistemas posicionales. El número octal 1758: 1 x 82 = 64 7 x 81 = 56 5 x 80 = 5 125
El número hexadecimal 2A16: 2 x 161 = 32 10 x 160 = 10 42
3.1- Conversión de octal y hexadecimal a binario y viceversa.
La conversión entre estos códigos resulta fácil debido a que tanto 8 como 16 son potencias de 2. Para convertir un binario a octal, se agrupan los bits de tres en tres empezando por la derecha y sustituir el grupo por su equivalente decimal (el número siempre estará entre 0-000 y 7-111). Por ejemplo, convertir el número binario 100111012: 010 011 1012 = 2358 A la hora de convertir un binario a hexadecimal, se agruparán de cuatro en cuatro empezando igualmente por la derecha (número entre 0-0000 y F-1111).
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Por ejemplo, convertir el número binario 100111012: 0 1001 11012 = 09D16 Si se trata de convertir de octal o hexadecimal a binario, habrá que llevar a cabo el proceso al contrario, esto es, escribiendo el número octal o hexadecimal en binario con tres o cuatro cifras respectivamente: - El número octal 1758 = 001 111 101 = 11111012 - El número hexadecimal 2A16 = 0010 1010 = 1010102
Operaciones en binario, decimal y hexadecimal. Ejemplos. Sumas: Decimal. 3461 +1573 ------------5034
Restas: Hexadecimal. B7A + C3 ------------C3D
Binario. 111001 - 10110 ----------------100011
Capacidad de representación. Otros códigos binarios. En general, se verifica que con n caracteres de un determinado código
podemos representar m = bn cantidades o símbolos distintos. Donde b es el número de dígitos distintos de ese código. Se verifica que: n ≥ logbm. Donde n debe ser el menor número entero que cumpla la condición. Por ejemplo, con 4 dígitos decimales podremos representar como máximo 10000 = 104 cantidades. En el sistema hexadecimal, con 2 dígitos se podrán expresar a lo sumo 256 = 162. En el caso binario, con 5 bits, 32 = 25. Son muchos los códigos binarios que se podrían confeccionar. Con n cifras binarias se pueden obtener 2n combinaciones diferentes. Cada una de estas combinaciones puede ser asignada a una carácter o a una cantidad diferente. Por ello el número de asignaciones posibles es grande. Por ejemplo: Supongamos que queremos codificar en binario 4 caracteres: A, B, C y D. Según lo que hemos dicho harían falta 2 bits o dígitos binarios (4 = 22). Ahora bien, ¿cuántas formas de asignación tenemos?. Varias, concretamente 4!. 00A 01B 10C 11D
11A 10B 00C 01D
01A 00B 10C 11D - 14 -
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5.1.-Códigos correctores de errores.
Si un código binario utiliza todas las combinaciones, es imposible detectar un error una combinación de transformará en otra. Para detectar un error resulta necesario, pero no suficiente, no utilizar todas las combinaciones. Distancia mínima. La distancia entre dos combinaciones binaria viene dada por el número de bits de una de ellas que deben ser modificados para obtener la otra. La distancia mínima será la menor de las distancias de un código. Para que un código pueda detectar errores, la distancia mínima debe ser superior a la unidad. Tipos: -
Códigos de paridad. Se obtiene añadiendo a las combinaciones de los códigos de distancia 1 un bit de paridadDe paridad par o impar.
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