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5/17/2018 HARDWARE - Electronica Digital - slidepdf.com
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UNIDAD 4. El hardware
4.1. Conceptos de electrónica digital aconsejable
4.1.1. Nivel electrónico
4.1.2. Nivel lógico
4.2. La unidad central de proceso
4.2.1. Unidad de control
4.2.2. Unidad aritmética lógica
4.3. La memoria central
4.4. El bus del sistema
4.5. Las instrucciones
4.5.1. Instrucciones de tres operandos
4.5.2. Instrucciones de dos operandos
4.5.3. Instrucciones de un operando
4.5.4. Instrucciones sin operandos
4.6. Métodos de direccionamiento
4.7. Ciclo de instrucción
4.8. Carga y almacenamiento de datos
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HARDWARE
El HARDWARE es el elemento físico de un sistema informático. Está compuesto por elordenador, dispositivos externos, cableado, soportes de almacenaje, etc. Los componenteselementales del HARDWARE son:
CPU o Unidad Central de Proceso: Elemento principal que coordina y dirige todas las
operaciones del Sistema Informático. Está compuesto por el PROCESADOR y la MEMORIA
CENTRAL.
PROCESADOR: Controla y ejecuta operaciones y está formado a su vez por la Unidad de
Control y por la Unidad Aritmético - Lógica (ALU). La Unidad de Control interpreta y ejecuta
las instrucciones controlando su secuencia y la ALU realiza las operaciones de tipoaritméticas y lógicas.
MEMORIA CENTRAL: Memoria interna o principal que almacena programas y datos. Losprogramas que se están ejecutando se guardan en esta memoria.
MEMORIA AUXILIAR O SECUNDARIA: Dispositivos de almacenamiento masivo de
información para guardar datos y programas ( discos duros, disquetes, CD ROM, etc.).
ELEMENTOS DE SALIDA: Dispositivos que proporcionan al exterior los datos resultantes de
los procesos que se ejecutan en el sistema.
SOFTWARE
El SOFTWARE es la parte lógica que da al equipo capacidad para realizar sus funciones.Son los programas, sistemas operativos, aplicaciones, etc. El SOFTWARE se guarda enmemoria principal y en memoria auxiliar. Los componentes del SOFTWARE son:
SOFTWARE BÁSICO: Conjunto de programas que el sistema necesita para poder trabajar.Estos forman el Sistema Operativo del sistema.
El SISTEMA OPERATIVO es el soporte lógico que controla el funcionamiento del equipo
físico ocultando los detalles de hardware y haciendo sencillo el uso de la computadora. Está
compuesto por programas de control y por programas deutilidades . Los programas de
control controlan el equipo físico en todos sus aspectos; los programas de utilidades sirven
para realizar tareas usuales como el manejo de ficheros, formateo de discos, etc.
SOFTWARE DE APLICACIÓN: Conjunto de programas diseñados para que el sistema puedarealizar unas tareas concretas.
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4.1) Conceptos de electrónica digital aconsejable
La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga de sistemas electrónicos
en los cuales la información está codificada en dos únicos estados. A dichos estados se lespuede llamar "verdadero" o "falso", o más comúnmente 1 y 0, refiriéndose a que en uncircuito electrónico digital hay dos niveles de tensión.
Electrónicamente se les asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje determinado, a los
que se les denomina niveles lógicos, típicos en toda señal digital. Por lo regular los valores
de voltaje en circuitos electrónicos pueden varia entre 1.5, 3, 5, 9 y 18 voltios dependiendo
de la aplicación, así por ejemplo, en una radio de transistores convencional las tensiones de
voltaje son por lo regular de 5 y 12 voltios al igual que en los discos duros IDE de
computadora.
Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor de
voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica analógica hay
una infinidad de estados de información que codificar según el valor del voltaje.
Esta particularidad permite que, usando Álgebra Booleana (lógica binaria) y el sistema de
numeración binario, se puedan realizar complejas operaciones lógicas o aritméticas
(cálculos) sobre las señales de entrada, muy costosas de hacer empleando
métodos analógicos.
La electrónica digital ha alcanzado una gran importancia debido a que es utilizada pararealizar autómatas y por ser la piedra angular de los sistemas microprogramados como sonlos ordenadores o computadoras.
4.1.1) Nivel electrónicoLos componentes básicos de los circuitos de la CPU son, entre otros: resistencias,condensadores, diodos y transistores. En su mayoría implementados en circuitosintegrados miniaturizados e introducidos en pequeñas cápsulas de silicio configurando loscircuitos lógicos (chips).
Estos componentes permiten establecer relaciones entre tensiones de corriente que,combinadas entre sí, producen estructuras físicas con propiedades lógicas elementales. Lasseñales eléctricas que circulan por una computadora pueden utilizar distintas tensiones que
se asocian a los valores del sistema binario. En la mayoría de los casos se asigna 0 lógico alas tensiones de entre 0 y 0,2 voltios; al valor lógico 1 se le asignan tensiones de entre 0,8 y4,5 voltios. Existen unos valores intermedios (entre 0,3 y 0,7 voltios) llamados zonaprohibida.
4.1.2) Nivel lógicoLos elementos de la computadora están organizados en estructuras capaces de realizar
funciones lógicas de mayor complejidad que las puertas anteriormente descritas. Estas
estructuras son los circuitos combinacionales y los circuitos secuenciales .
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4.2. La unidad central de proceso
La unidad central de procesamiento, UCP o CPU (por el acrónimo en inglés de central
processing unit ), o simplemente el procesador omicroprocesador, es el componente del
computador y otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones contenidas
en los programas y procesa los datos. Los CPU proporcionan la característica fundamental
de la computadora digital (la programabilidad) y son uno de los componentes necesarios
encontrados en las computadoras de cualquier tiempo, junto con el almacenamiento
primario y los dispositivos de entrada/salida. Se conoce como microprocesador el CPU que
es manufacturado con circuitos integrados. Desde mediados de los años 1970, losmicroprocesadores de un solo chip han reemplazado casi totalmente todos los tipos de
CPU, y hoy en día, el término "CPU" es aplicado usualmente a todos los microprocesadores.
La expresión "unidad central de proceso" es, en términos generales, una descripción de una
cierta clase de máquinas de lógica que pueden ejecutar complejos programas de
computadora. Esta amplia definición puede fácilmente ser aplicada a muchos de los
primeros computadores que existieron mucho antes que el término "CPU" estuviera en
amplio uso. Sin embargo, el término en sí mismo y su acrónimo han estado en uso en la
industria de la informática por lo menos desde el principio de los años 1960. La forma, el
diseño y la implementación de los CPU ha cambiado drásticamente desde los primeros
ejemplos, pero su operación fundamental ha permanecido bastante similar.
4.2.1. Unidad de control
La unidad de control (UC) es uno de los tres bloques funcionales principales en los que se
divide una unidad central de procesamiento (CPU). Los otros dos bloques son la unidad de
proceso y elbus de entrada/salida.
Su función es buscar las instrucciones en la memoria principal, decodificarlas
(interpretación) y ejecutarlas, empleando para ello la unidad de proceso.
Existen dos tipos de unidades de control, las cableadas, usadas generalmente en máquinassencillas, y las microprogramadas, propias de máquinas más complejas. En el primer caso,
los componentes principales son el circuito de lógica secuencial, el de control de estado, elde lógica combinacional y el de emisión de reconocimiento de señales de control. En elsegundo caso, la microprogramación de la unidad de control se encuentra almacenada enuna micromemoria, a la cual se accede de manera secuencial para posteriormente ir
ejecutando cada una de las microinstrucciones.
En computadoras, la unidad de control fue históricamente definida como una parte distintadel modelo de referencia de 1946 de la Arquitectura de von Neumann. En diseños modernosde computadores, la unidad de control es típicamente una parte interna del CPU.
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4.2.2. Unidad aritmética lógica
En computación, la unidad aritmético lógica, también conocida como ALU (siglas en inglés
de arithmetic logic unit ), es un circuito digitalque calcula operaciones aritméticas (como
suma, resta, multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre dos números.
Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún tipo de operación aritmética,
así que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se
mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si debe activar el sonido
de la alarma, etc.
Por mucho, los más complejos circuitos electrónicos son los que están construidos dentrode los chips de microprocesadores modernos. Por lo tanto, estos procesadores tienendentro de ellos un ALU muy complejo y potente. De hecho, un microprocesador moderno (y
losmainframes) puede tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de
ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU.
Muchos otros circuitos pueden contener en el interior una unidad aritméticológica: unidades de procesamiento gráfico como las que están enlas GPU NVIDIA y AMD, FPU como el viejo coprocesador matemático 80387, y procesadoresdigitales de señales como los que se encuentran en tarjetas de sonido Sound Blaster, lectoras de CD y los televisores de alta definición. Todos éstos tienen en su interior variasALU potentes y complejas.
4.3. La memoria central
La memoria principal o primaria, también llamada memoria central, es aquella memoria de
un ordenador, donde se encuentran el código de instrucciones y los datos del programa,que es ejecutado actualmente.
La estructura de la memoria principal se ha cambiada en la historia de las computadoras.Desde los años 1980 es prevalentemente una unidad dividida en celdas que se identificanmediante una dirección. Está formada por bloques de circuitos integrados o chips capacesde almacenar, retener o "memorizar" información digital, es decir, valores binarios; a dichosbloques tiene acceso elmicroprocesador de la computadora.
La MP se comunica con el microprocesador de la CPU mediante el bus de direcciones. Elancho de este bus determina la capacidad que posea el microprocesador para el
direccionamiento de direcciones en memoria.
En algunas oportunidades suele llamarse "memoria interna" a la MP, porque a diferencia de
los dispositivos de memoria secundaria, la MP no puede extraerse tan fácilmente por
usuarios no técnicos.
La MP es el núcleo del sub-sistema de memoria de una computadora, y posee una menor
capacidad de almacenamiento que la memoria secundaria, pero una velocidad millones de
veces superior.
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4.4. El bus del sistema
El bus (o canal) es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de
una computadora o entre computadoras. Está formado por cables o pistas en un circuito
impreso, dispositivos como resistores y condensadores además de circuitos integrados.
En los primeros computadores electrónicos, todos los buses eran de tipo paralelo, de
manera que la comunicación entre las partes del computador se hacía por medio de cintas o
muchas pistas en el circuito impreso, en los cuales cada conductor tiene una función fija y
la conexión es sencilla requiriendo únicamente puertos de entrada y de salida para cada
dispositivo.
4.5. Las instrucciones
La instrucción es el elemento clave del equipo, ya que permite indicar al procesador la
acción que debe realizar. Las instrucciones a realizar se indican en el archivo fuente y el
equipo pasa de una instrucción a otra siguiendo las instrucciones que se indican de arriba
hacia abajo (ya que la lectura de un archivo se realiza en una secuencia de arriba hacia
abajo).
Una instrucción se compone, generalmente, de dos elementos:
el operador: la acción que el procesador va a realizar
el/los operando(s): uno o más datos en los cuales se realiza la operación
Tipo de operadores
Por lo general, hay dos o tres tipos de operadores:
Operadores unitarios: aquellos que admiten un solo operando
Operadores binarios: contrariamente a lo que se podría pensar, estos operadores no
trabajan en operadores binarios pero admiten dos operandos (binario indica, por lo tanto,
la cantidad de operandos utilizados; El signo + indica la presencia de un operador
binario)
Operadores ternarios: Son operadores que admiten tres operandos (por ejemplo, los
operadores condicionales son operadores ternarios)
Los operadores también pueden dividirse en varias categorías de acuerdo al tipo de
operación que realizan al ejecutarse:
Operador/operando(s) el/los operando(s):
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operadores aritméticos
operadores de comparación
operadores lógicos
operadores de bits
operadores de asignación
operadores condicionales
operadores secuenciales
Prioridades de operadores
Por lo general, cada lenguaje tiene precedencia de operadores, para que el equipo sepacómo evaluar a los operadores cuando varios de ellos se encuentran presentes en unamisma expresión.
4.6. Métodos de direccionamiento
Los llamados modos de direccionamiento son las diferentes maneras de especificar
en informática un operando dentro de una instrucción en lenguaje ensamblador.
Un modo de direccionamiento especifica la forma de calcular la dirección de memoria
efectiva de un operando mediante el uso de la información contenida en registros y / o
constantes, contenida dentro de una instrucción de la máquina o en otra parte.
Distintos métodos
Diferentes arquitecturas de computadores varían mucho en cuanto al número de modos de
direccionamiento que ofrecen desde el hardware. Eliminar los modos de direccionamiento
más complejos podría presentar una serie de beneficios, aunque podría requerir de
instrucciones adicionales, e incluso de otro registro. Se ha comprobado que el diseño de
CPUs segmentadas es mucho más fácil si los únicos modos de direccionamiento que
proporcionan son simples.
La mayoría de las máquinas RISC disponen de apenas cinco modos de direccionamiento
simple, mientras que otras máquinas CISC tales como el DEC VAX tienen más de una
docena de modos de direccionamiento, algunos de ellos demasiado complejos. El
mainframe IBM System/360 disponía únicamente de tres modos de direccionamiento;
algunos más fueron añadidos posteriormente para elSystem/390. Cuando existen solo unos cuantos modos, estos van codificados directamente dentro de lapropia instrucción (Un ejemplo lo podemos encontrar en el IBM/390, y en la mayoría de
los RISC). Sin embargo, cuando hay demasiados modos, a menudo suele reservarse uncampo específico en la propia instrucción, para especificar dicho modo dedireccionamiento. El DEC VAX permitía múltiples operandos en memoria en la mayoría desus instrucciones, y reservaba los primeros bits de cada operando para indicar el modo de
direccionamiento de ese operando en particular.
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Incluso en computadores con muchos modos de direccionamiento, algunas medidasrealizadas a programas indican que los modos más simples representan cerca del 90% omás de todos los modos de direccionamiento utilizados. Dado que la mayoría de estasmedidas son obtenidas a partir de códigos de alto nivel generados a partir de compiladores,
nos da una idea de las limitaciones que presentan los compiladores que se utilizan.
4.7. Ciclo de instrucción
Un ciclo de instrucción (también llamado ciclo de fetch-and-execute o ciclo de fetch-decode-
execute en inglés) es el período que tarda la unidad central de proceso (CPU) en ejecutaruna instrucción de lenguaje máquina.
Comprende una secuencia de acciones determinada que debe llevar a cabo la CPU paraejecutar cada instrucción en un programa. Cada instrucción del juego de instrucciones deuna CPU puede requerir diferente número de ciclos de instrucción para su ejecución. Unciclo de instrucción está formado por uno o más ciclos máquina.
Para que cualquier sistema de proceso de datos basado en microprocesador (por ejemploun ordenador) o microcontrolador (por ejemplo un reproductor de MP3) realice una tarea(programa) primero debe buscar cada instrucción en la memoria principal y luego ejecutarla.
4.8. Carga y almacenamiento de datos
En el contexto de la informática, un almacén de datos (del inglés data warehouse ) es una
colección de datos orientada a un determinado ámbito (empresa, organización, etc.),integrado, no volátil y variable en el tiempo, que ayuda a la toma de decisiones en la entidad
en la que se utiliza. Se trata, sobre todo, de un expediente completo de una organización,más allá de la información transaccional y operacional, almacenado en una base de datosdiseñada para favorecer el análisis y la divulgación eficiente de datos(especialmente OLAP, procesamiento analítico en línea ). El almacenamiento de los datos nodebe usarse con datos de uso actual. Los almacenes de datos contienen a menudo grandescantidades de información que se subdividen a veces en unidades lógicas más pequeñasdependiendo del subsistema de la entidad del que procedan o para el que sean necesario.
