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Material para el Quiz de O y E (Organización y Estructura del Computador) * Organización y Arquitectura del Computador* Estructura: El modo en el que los componentes están interrelacionados. Funcionamiento: La operación de cada componente individual, la estructura del funcionamiento c...

Material para el Quiz de O y E (Organización y Estructura del Computador) * Organización y Arquitectura del Computador* Estructura: El modo en el que los componentes están interrelacionados. Funcionamiento: La operación de cada componente individual, la estructura del funcionamiento consiste en cuatro términos generales: Procesamiento de datos, almacenamiento de datos, transferencia de datos y control. Almacenamiento de datos: Un ordenador procesa datos al vuelo, es decir, que se introducen, se producen y los resultados obtenidos son inmediatos. Por lo tanto, el ordenador tiene una función de almacenamiento a largo plazo. Transferencia de datos: Proceso de transferir datos a largas distancias que tiene el nombre de comunicación de datos. Control: Es ejercido por las instrucciones y el número de operaciones posibles tanto el almacenamiento como la transferencia de datos. *Principales componentes estructurales* Unidad de control: Es la encargada de interpretar las instrucciones de los programas y establecer las operaciones que hay que realizar en el computador y en qué orden. Además, se encarga del traslado de los datos y las instrucciones entre las partes en que las requieren, interpreta los comandos y produce las órdenes para efectuar cada una de las tareas. Unidad aritmética lógica (ALU): Se encarga de realizar las operaciones matemáticas y lógicas que permiten a los ordenadores tomar decisiones y procesar datos. La ALU consta de una serie de puertas lógicas y registros, cada uno de los cuales realiza una operación específica (sumar, restar, multiplicar, dividir). Registros: Proporciona almacenamiento interno a la CPU. Interconexiones: Cables mediante los cuales pueden cargarse datos en la memoria y desde allí transportarse a la CPU. El bus de datos es una de las interconexiones y se conforma de 3 líneas de control, cada una de ellas transportan 1 bit a la vez. El bus controla la comunicación del CPU y la memoria. *Diferencia entre estructura y organización* La arquitectura del computador se refiere al diseño y estructura de los componentes físicos del sistema. Esto incluye el procesador, la memoria, los dispositivos de entrada y salida. Esto define como se interconectan y comunican estos componentes para realizar las tareas. La organización del computador se centra en cómo se gestionan los recursos (circuitos, jerarquía de memoria y algoritmos de control). Importancia: Son fundamentales para el desarrollo de sistemas informáticos eficientes y confiables. Un buen diseño de arquitectura permite maximizar el rendimiento del sistema, optimizando la comunicación ente diferentes componentes y minimizando los cuellos de botella. *Ciclos de instrucciones* Búsqueda de instrucción (Fetch): Implica recuperar la instrucción desde la memoria principal. Durante esta faste, la CPU utiliza el contador del programa para determinar la dirección de memoria de la siguiente instrucción. Ejecución de instrucción (Execute): La CPU procede a la fase de ejecución. En esta fase, la unidad de ejecución de la CPU lleva a cabo la operación especificada por la instrucción, esto podría necesitar una operación aritmética. Almacenamiento de resultados (Store): Si la instrucción produce un resultado que debe ser almacenado, como en el caso de una operación aritmética, este resultado se escribe en la memoria o en registro específico de la CPU. *Tipos de arquitectura* Arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computing): En esta arquitectura las CPU están diseñadas para ejecutar instrucciones en un solo ciclo de instrucciones. Una sola instrucción en un procesador CISC podría cargar datos en la memoria, realizar una operación aritmética y almacenar el resultado en memoria, todo en un solo ciclo. Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computing): La arquitectura RISC se basa en un conjunto de instrucciones simplificados, donde cada instrucción realiza una sola operación básica. La simplicidad de las instrucciones RISC permite una ejecución más rápida y facilita la implementación de técnicas como la canalización. Fue diseñado en 1980 y soportan 32 bits. Pipelining: El ciclo se divide en varias etapas, y cada etapa se maneja en paralelo con otras. Esto significa que mientras una instrucción está siendo decodificada, otra puede ser ejecutada y una tercera puede estar en fase de búsqueda. *Arquitectura en celulares* ARM: Es predominante en el mercado de dispositivos móviles. Se caracteriza por su bajo consumo energético y alto rendimiento. Los procesadores ARM utilizan un conjunto reducido de instrucciones para contribuir a la eficiencia. Arquitectura x86. Arquitectura heterogénea: Combina diferentes tipos de núcleos de procesamiento del mismo chip. Por ejemplo, algunos procesadores utilizan núcleos eficientes para tareas simples y núcleos potentes para tareas exigentes. Arquitectura monolítica: Integra múltiples funciones en un mismo chip. Es un comúnmente utilizada en dispositivos de gama baja y media, donde el enfoque está en mantener costos bajos y simplicidad. Arquitectura modular: Permite la separación de componentes. Esto facilita actualizaciones y reparaciones, además ofrece mayor flexibilidad al diseño del dispositivo. Arquitectura híbrida: Es utilizada en dispositivos avanzados para maximizar el rendimiento y optimiza el espacio interno. *¿Qué es el ARM? * Advanced RISC Machine. Las ARM están diseñados para ser lo más eficiente posible, exceptuando instrucciones que se puedan lograr en un único ciclo de memoria. Por lo que son perfectos para portátiles que, por un lado, mantienen alta capacidad de proceso, y por otro lado son muy eficientes, mejorando el uso de batería. *Generación 0 (1642-1945) * La primera persona en construir en máquina calculadora que funcionara fue el científico francés Blaise Pascal, diseñada para ayudar a su padre, quien era recolector de impuestos. Su máquina solo podía hacer sumas y restas, pero 30 años después von Leibnitz construyó otra máquina que también podía multiplicar y dividir. En el siglo XIX, Charles Babbage diseñó la máquina diferencial, cuyo propósito era generar tablas matemáticas útiles para la navegación, su método de salida perforaba los resultados en una placa de cobre. Insatisfecho con la limitada funcionalidad de esta máquina, Babbage comenzó a desarrollar una máquina analítica, un sistema más avanzado con componentes equivalentes a los de una computadora moderna. 1. Almacén (memoria) 2. Taller (unidad de cálculo) 3. Entrada (lectura de tarjetas) 4. Salida (impresión y perforación de resultados) La máquina analítica nunca pudo completarse debido a las limitaciones de fabricación de la época; los engranajes y mecanismos requerían una precisión que la tecnología del siglo XIX no podía ofrecer. En los años 30, Konrad Zuse creó calculadoras automáticas, acercándose a la computación moderna y desafortunadamente, sus máquinas fueron destruidas en el bombardeo de Berlín en 1944. *Generación 1 (1940-1956) * Los primeros computadores utilizan tubos al vacío para circuitos y tambores magnéticos para la memoria y ocupaban cuartos enteros. Un tambor magnético, es un cilindro de metal recubierto con material magnético de óxido de hierro en que los datos y los programas pueden ser almacenados. La operación de estos equipos era de alto costo y adicionalmente consumían gran cantidad de electricidad, la primera generación de computación se basaba en lenguaje máquina para realizar operaciones y solo podían resolver un tiempo a la vez. El 14 de febrero de 1946 presentaron el ENIAC, que resolvía cinco mil adiciones y sustracciones, trescientas cincuenta multiplicaciones o cincuenta divisiones por segundo. *Generación 2 (1956-1963) * Los transistores reemplazan a los tubos de vacío. Es un dispositivo compuesto de un material semiconductor que abre o cierra circuito. En 1954 IBM comercializa el 650, el tamaño medio. El IBM TX-0, de 1958 tenía un monitor de vídeo de primera calidad, era rápida y relativamente pequeño, poseía salida sonora. *Generación 3 (1964-1971) * Los transistores fueron minimizados y puestos en placas de silicio, llamadas semiconductores, los cuales incrementaron drásticamente la velocidad y eficiencia. A partir de 1960 se empezó a usar el término software. En 1970, Intel lanzó el primer microprocesador, el “Intel 4004”. En 1975 Microsoft fue fundada por Bill Gates y Paul Allen, y en 1977 se lanzaron las primeras computadoras personales como el Apple I, etc. *Generación 4 (1971-1988) * Se denota por el reemplazo de las memorias de núcleos magnéticos por memorias de chip de silicio y la incorporación de muchos más componentes en un chip como producto de la miniaturización de los circuitos. En 1971, Intel, presenta el primer microprocesador o Chip de 4 bits, en un espacio de 4x5 mm contenía 2250 transistores. Esta generación de computadoras se caracterizó por grandes avances tecnológicos realizados en un tiempo muy corto. *Generación 5 (1991-Actualidad) * Las aplicaciones exigen cada vez más una mejor capacidad de procesamiento y almacenamiento de datos. Sistemas especiales, multimedia, base de datos distribuidas y redes neuronales, una de las principales características de esta generación es la simplificación y miniaturización del computador, además de mayor desempeño y todo esto con precios cada vez más accesibles. No hay muchas novedades después de 1997, ya que los cambios estuvieron basados en procesadores más veloces. *Generación 6* Se podría llamar la era de las computadoras inteligentes basadas en redes neuronales. Serían computadoras que utilizarían superconductores como materia prima para sus procesadores, lo que permitirían no malgastar electricidad. El rendimiento sería aproximadamente 30 veces, todo esto está en pleno desarrollo, por el momento las únicas novedades han sido el uso de procesadores en paralelo, o sea, la división de tareas múltiples unidades de procesamiento y otra novedad es la incorporación de chips de procesadores especializados en tareas de video y sonido. *Transistor* Es un dispositivo semiconductor que funciona como un interruptor o un amplificador de señal. Permite controlar la corriente eléctrica en un circuito, pudiendo amplificar una señal de entrada o cortar o dejar pasar la corriente como un interruptor. Características: 1. Semiconductor: Están hechos de materiales semiconductores como el silicio, que tienen propiedades intermedias entre un conductor y un aislante. 2. Componentes: Emisor, base, y colector son los tres principales de un transistor. Estas permiten terminales que el transistor se conecte a circuitos externos y conduzca corriente eléctrica. 3. Amplificación y conmutación: Pueden amplificar señales eléctricas o funcionar como interruptores, controlando el flujo de corriente entre el emisor y el colector. 4. Aplicaciones: Radios, televisores, ordenadores y teléfonos móviles. *Sistemas Operativos* Surgió en la década de 1950 para gestionar la ejecución de programas en grandes computadoras. Los primeros sistemas eran sencillos y se basaban en conceptos como el monitor residente y el almacenamiento temporal. Evolución: En los 60´s se desarrollaron conceptos como el sistema multitarea, multiusuario, multiprocesadores y en tiempo real. En los 70´s con el auge de los ordenadores personales, se desarrolló el lenguaje C. En los 80´s, con la demanda de un Sistema Operativo fáciles de usar se crearon las primeras interfaces de usuario. En los 90´s, Linus Trovalds comenzó a escribir un sistema operativo que pudiera ejecutarse en un computador personal. Características: Coordina y dirige todos los servicios y aplicaciones que utiliza el usuario en una computadora. Permite que otros programas los utilice de apoyo para funcionar. *Máquinas Virtuales* Lenguajes de programación: Varían en nivel de abstracción, desde lenguajes de bajo nivel (ensamblador) que se acercan al hardware, hasta lenguajes de alto nivel (Python o Java) que permiten escribir programas comprensibles para los humanos. Niveles de abstracción: Los sistemas informáticos operan en niveles de abstracción. En los más bajos, como la lógica digital y la microarquitectura, se manejan directamente en los componentes eléctricos del hardware, en niveles más altos como el Sistema Operativo y aplicaciones, se abstraen para que los usuarios puedan interactuar con el programa. Máquinas virtuales: Simula un sistema completo de hardware permitiendo ejecutar un Sistema Operativo o programas sin tener directamente hardware físico. Máquinas multinivel contemporáneas: Son sistemas informáticos avanzados que operan a través de niveles de abstracción, con el fin de simplificar la interacción entre el hardware y el software, optimizando el rendimiento del sistema. Cada nivel cumple una función específica, desde el procesamiento de señales eléctricas hasta la ejecución de aplicaciones. Nivel Lógico Digital: Nivel más básico donde operan datos binarios mediante puertas lógicas (AND, OR, NOT). 1. AND: Salida 1 solo si ambas entradas son 1 2. OR: Salida 1 si al menos una entrada es 1 3. NOT: Invierte la entrada. 4. NAND, NOR, XOR, XNOR, BUFFER: Variaciones para circuitos más difíciles. 5. Circuitos secuenciales: Salida depende del estado previo, tienen una memoria interna. 6. Circuitos combinacionales: Salida depende solo de las entradas actuales. Nivel de Microarquitectura: Describe la organización interna del procesador y cómo se ejecutan las instrucciones. 1. Registros: Almacenamiento temporal de datos de alta velocidad. 2. Buses: Canales que transportan datos y señales. 3. Caché: Memoria ultrarrápida para optimizar el acceso a datos frecuentemente utilizados. 4. 64 vs 32 bits: Afecta el rendimiento y la capacidad de direccionamiento. Nivel ISA (Arquitectura de Conjunto de Instrucciones): Especifica el conjunto de instrucciones que un procesador puede ejecutar. Características: Instrucciones de procesamiento de datos, modos de direccionamiento y registros. Tipos: CISC, RISC Y VLIW (Instrucciones largas que permiten ejecución paralela). Nivel Sistema Operativo: Intermediario entre hardware y software, gestiona recursos del sistema. *Máquinas Multinivel* Esta abstracción se basa en la organización jerárquica de funciones dentro de un sistema computacional, distribuidas en distintos niveles que interactúan entre sí. La arquitectura se estructura mediante una jerarquía de niveles, donde cada uno representa un grado diferente de abstracción: 1. Nivel 0: Lógica Digital.  2. Nivel 1: Microarquitectura. 3. Nivel 2: Conjunto de instrucciones. 4. Nivel 3: Sistema Operativo. 5. Nivel 4: Lenguaje Ensamblador. 6. Nivel 5: Lenguaje de alto nivel. Características: Los niveles superiores operan con mayor abstracción, permitiendo que los desarrolladores se concentren en aspectos de alto nivel sin preocuparse por los detalles del hardware. A pesar de la separación conceptual, los niveles se complementan dinámicamente. Evolución: Con el desarrollo de las primeras computadoras electrónicas, se evidenció la necesidad de separar el hardware y el software. Ejemplos: Sistemas Operativos, Computadores modernos y Sistemas en la Nube. *Sistemas de Numeración* Los sistemas de numeración son métodos para representar números utilizando símbolos y reglas específicas. Estos son fundamentales porque las computadoras procesan toda la información (números, texto, imágenes, etc.) en formato binario. Los sistemas más utilizados por humanos y máquinas son: 1. Sistema Binario: Representado por dos cifras, 0 y 1. Ejemplo: Representación de datos en memoria. 2. Sistema Octal: Tendremos 8 dígitos diferentes para representar todos los números (0,1,2,3,4,5,6,7). Ejemplo: Representación compacta de bytes. 3. Sistemas Decimal: Al ser la base el número diez, tendremos la capacidad de construir todas las cifras mediante diez números (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9). Ejemplos: Almacenamiento en disco duros. 4. Sistemas Hexadecimal: Utiliza 16 símbolos para representar los dígitos del 0 al 9 y las letras de A-F (10 al 15). Ejemplo: Direcciones de memoria. Representación: 1. Binario (Base 2): usa como símbolos solo 0 y 1 Cálculo de 42 en binario: 4210 = 32 + 8 + 2 = 2 5+2 3+2 1 = 1010102 2. Octal (Base 8): usa símbolos del 0 al 7 Cálculo de 42 en octal: 42 ÷ 8 = 5(residuo 2) 5 ÷ 8 = 0(residuo 5) 4210 = 528 3. Decimal (Base 10): usa símbolos del 0 al 9, es el sistema que usamos cotidianamente. 4. Hexadecimal (Base 16): usa símbolos del 0 al 9 y A=10, B=11,..., F=15. Cálculo de 42 en hexadecimal: 42 ÷ 16 = 2(residuo 10 → A) 2 ÷ 16 = 0(residuo 2) 4210 = 2A16