Hardware (PDF) - Licenciatura en Física y Geofísica

Programación Licenciatura en Física. Licenciatura en Geofísica. Marco Antonio Ayala Aristondo [email protected]  Terminología Básica....

Programación Licenciatura en Física. Licenciatura en Geofísica. Marco Antonio Ayala Aristondo [email protected]  Terminología Básica. Hardware. El hardware se refiere a las partes físicas, tangibles, de un sistema informático, sus componentes eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos.​ Los cables, así como los muebles o cajas, los periféricos de todo tipo, y cualquier otro elemento físico involucrado, componen el hardware o soporte físico Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 2  Herramienta de propósitos múltiples Introducción. generales que puede ser usada desde escribir un documento, enviar correos electrónicos, realizar operaciones matemáticas complejas, etc. Esencial en muchas áreas: industria, gobierno, ciencia, educación, etc. Diseñar soluciones a la medida de problemas específicos: Operaciones matemáticas complejas y/o repetitivas. Manejo de volumen muy grande de datos. UNA COMPUTADORA Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 3 Introducción. El diseño de la solución a la medida de un problema requiere, como en otras disciplinas, una metodología para llegar a ella: un algoritmo Las soluciones de problemas que son diseñadas en computadora se les conoce como programas Un programa es un conjunto de instrucciones escritas de algún lenguaje de programación y que ejecutadas de manera secuencial, selectiva o repetitiva, resuelven un problema especifico. Una computadora puede realizar cualquier tarea porque es programable. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 4 Introducción. ENTRADA PROCESOS SALIDA Una computadora recibe la información que se le introduce (input o entrada). Dicha información es la necesaria para resolver el problema. Realiza una serie de cálculos sobre la información de entrada para resolver el problema en específico. Al final debe de mostrar una serie de datos como solución del problema (output o salida) Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 5 Hardware Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 6 Hardware. Unidad Central de Proceso (CPU: Central Process Unit) Unidad Aritmético Lógica (ALU: Arithmetic Logic Unit) Unidad de Control (CU: Control Unit) Memoria Primaria. Tarjeta Madre Memoria Secundaria Periféricos (Dispositivos de Entrada y Dispositivos de Salida) Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 7 Hardware. Algunos dispositivos pueden funcionar ya sea como elementos de entrada o salida. Un disco duro Tarjeta de red Memoria USB Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 8 Unidad Central de Proceso (CPU) Dirige y controla todas las actividades realizadas por la computadora. Tiene dos partes: Unidad de Control Controla todo proceso de la computadora. - Ejecución de los programas - Coordina toda actividad de entrada y de salida (E/S). - Almacena y transfiere datos Determina las operaciones que deben de realizarse y en que orden. Unidad Aritmético Lógica Realiza todas las operaciones aritméticas y lógicas. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 9 Unidad Central de Proceso (CPU) Al ejecutar un programa obtiene/decodifica/ejecuta cada una de las instrucciones. La unidad de control obtiene la instrucción que debe de ejecutarse La unidad de control decodifica la instrucción y genera una señal electrónica La señal es enrutada hacia el componen-te apropiado de la computadora (disco, ALU, El conjunto de instrucciones de un programa están almacenadas en la memoria de la tarjeta de video, etc). computadora. La señal hace que el dispositivo realice una Las instrucciones están codificadas operación Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 10 Memoria Principal. Es conocida como Memoria de Acceso Aleatorio (RAM: Random Access Memory) Es de rápido acceso a los datos e instrucciones almacenadas. Es volátil debido a que los datos e instrucciones se pierden (borran) cuando la computadora se apaga. Es el lugar donde la computadora guarda un Se divide en pequeños bloques llamados programa mientras se está ejecutando. byte. También aquí se almacenan los datos con los Un byte puede almacenar una letra del que se está trabajando alfabeto o un número muy pequeño. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 11 Memoria Principal. Cada byte está dividido en ocho pequeños A cada byte se le asigna un único bloques llamados bits número que se le conoce como "dirección En la mayoría de computadoras, los bits de memoria". son pequeños componentes eléctricos que Cada byte es identificado y se accede a pueden almacenar un voltaje positivo o él por medio de su dirección. negativo. bit (binary digit) La cantidad 149 está almacenado en el bloque con dirección 16. La cantidad 72 está almacenada en la casilla con dirección 23. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 12 Memoria de Solo Lectura. Circuito integrado programado con información específica al momento de que es construido en la fábrica. Datos almacenados son no volátiles. En procesos normales solamente puede leerse desde la ROM (Read Only Memory) Datos pueden ser cambiados por procesos especiales (EEPROM, EPROM) Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 13 Memoria Secundaria. El tipo más común es el disco duro (interno o externo) Es un medio de almacenamiento definitivo que guarda los datos aún cuando se apague la computadora. Es el sitio donde se almacenan todos los programas o datos que el usuario desee. Los programas y los datos son almacenado en la memoria secundaria y cargados en la RAM en la medida que se necesitan Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 14 Memoria Secundaria. La presentación más común de las memorias flash es memorias USB (Universal Serial Bus). Fue desarrollada en Toshiba a partir de la tecnología EEPROM. Facilmente se escribe y se borran Por mucho tiempo se usaron disquetes datos en una memoria flash (discos flexibles) para almacenar información. Su uso está descontinuado y reemplazo por memorias flash Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 15 Memoria Secundaria. En almacenamiento óptico la información no es guardada magnéticamente sino en una combinación de pequeñas “ranuras” en la superficie del disco. Generalmente son usados para guardar videos y respaldo de datos (backups) Construidos con la misma tecnología de los discos duros internos Se conectan a la computadora mediante un puerto USB Son plug and play Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 16 Unidades de almacenamiento. 1 byte = 8 bits Terabyte Yotabyte Gigabyte Zetabyte Megabyte Exabyte Kilobyte Byte Petabyte ¿1 KB = 1024 B? o ¿1 KB = 1000 B? Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 17 Unidades de almacenamiento. Dos sistemas numéricos distintos que se usan: Sistema binario, donde un kilobyte es 1024 bytes. Sistema decimal, en el que un kilobyte es a 1000 bytes. En los inicios se observó que 1024 (2¹⁰ -- binario) es prácticamente igual a 1000 (10³ -- decimal) y empezaron a usar el prefijo "kilo" como equivalente de 1024. Se creó discrepancia con las unidades de medidas usadas en otras disciplinas Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 18 Unidades de almacenamiento. Unidad Potencia Valor binario Potencia Decimal Binaria (en decimal) Decimal (equivalente) Byte Kilobyte KB 2¹⁰ 1,024 10³ 1,000 Megabyte MB 2²⁰ 1,048,576 10⁶ 1,000,000 Gigabyte GB 2³⁰ 1,073,741,824 10⁹ 1,000,000,000 Terabyte TB 2⁴⁰ 1,099,511,627,776 10¹² 1,000,000,000,000 Petabyte PB 2⁵⁰ 1,125,899,906,842,624 10¹⁵ 1,000,000,000,000,000 Exabyte EB 2⁶⁰ 1,152,921,504,606,846,976 10¹⁸ 1,000,000,000,000,000,000 Zetabyte ZB 2⁷⁰ 1,180,591,620,717,411,303,424 10²¹ 1,000,000,000,000,000,000,000 Yotabyte YB 2⁸⁰ 1,208,925,819,614,629,174,706,176 10²⁴ 1,000,000,000,000,000,000,000,000 ¿1 YB = 2⁸⁰ B? o ¿ 1 YB = 10²⁴ B? — discrepancia: 20.8% ¿Cuáles valores usar? Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 19 Unidades de almacenamiento. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 20 Tarjeta Madre. Motherboard. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 21 Dispositivos de Entrada. Sirven para introducir datos (información) en la computadora para ser procesados. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en la memoria principal Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 22 Dispositivos de Salida. Se encargan de mandar una respuesta hacia el exterior de la computadora Los principales son los monitores y las impresoras Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 23 Red Básica. Una red de computadoras es un conjunto de equipos (computadoras y/o dispositivos) conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro medio de transporte de datos. Comparten información (archivos), recursos (CD-ROM, impresoras, etc.) y servicios (acceso a internet, e-mail, chat, juegos, aplicaciones, etc). Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 24 Red de Computadoras Componentes: Servidor Estación de Trabajo Nodo de red Tarjeta de red Un servidor controla las redes y se encarga de La finalidad de un servidor es controlar el permitir o no el acceso de los usuarios a los funcionamiento de una red y los servicios recursos que realice cada uno de ellos dependerán también controlan los permisos que del diseño de la red. determinan si un nodo puede o no pertenecer a una red Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 25 Red de Computadoras. Una estación de trabajo: las computadoras conectadas a una red pero no pueden controlarla, ni alguno de sus nodos o recursos de la misma. Cualquier computadora puede ser estación de trabajo, siempre que este conectada y se comunique a la red. Un nodo de red es cualquier elemento que se encuentre conectado y comunicado a una red. Los periféricos que se conectan a una computadora se convierten en nodo si están conectados a la red y pueden compartir sus servicios para ser utilizados por los usuarios, como impresoras, carpetas. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 26 Redes de Computadoras. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 27 Red de Computadoras Los medios de transmisión son elementos que hacen posible la comunicación entre dos computadoras, son elementos que conectan a las computadoras y a través de estos viaja la información. Los cables son un componente básico en la comunicación entre computadoras. Pueden mencionarse: Cables (coaxial, par trenzado, fibra óptica) Conectores Concentradores Router Modem Comunicación inalámbrica (WiFi, Bluetooth, Infrarrojo) Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 28 Rendimiento Computacional. La cantidad de datos crece masivamente (Big Data) y lo mismo pasa con la potencia computacional para el procesado. El rendimiento se mide en FLOPS (floating-point operations per second) En los inicios de los 90s, la supercomputadora más potente tenia un rendimiento de gigaflops (10⁹ FLOPS) A finales de los 90s, INTEL crea una supercomputadora con un rendimiento de teraflops (10¹² FLOPS) En 2008, IBM presentó una computadora de un petaflops (10¹⁵ FLOPS) En JUN/2020 se construyó Fugaku con una potencia de procesado de 415.5 petaflops La computación distribuida utiliza INTERNET para enlazar computadoras personales y alcanzar más FLOPS (Proyecto GIMPS sostiene 1.21 petaflops) Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 29 Procesamiento y Consumo de Electricidad Los datos provenientes de IoT crece masivamente y el procesado de datos demanda gran cantidad de energía. Se estima que para el 2025, el procesado de datos requerirá el 20% del consumo total de energía. Se estima un consumo de 1.6 PWh para el funcionamiento de INTERNET en 2021. Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 30 Procesamiento y Consumo de Electricidad Bitcoin Energy Consumption Index - Digiconomist Marco Ayala – Escuela de Física 8/11/2024 31