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UT 1: Sistema informático: Unidades funcionales Fundamentos de hardware 1. Evolución histórica de los ordenadores. Antes de ver un poco de historia, vamos a definir qué es la informática. La palabra informática proveniente del francés informatique, acuñado por el ingeniero Philippe Dreyfus en 1962...

UT 1: Sistema informático: Unidades funcionales Fundamentos de hardware 1. Evolución histórica de los ordenadores. Antes de ver un poco de historia, vamos a definir qué es la informática. La palabra informática proveniente del francés informatique, acuñado por el ingeniero Philippe Dreyfus en 1962, es acrónimo de las palabras information y automatique. En España se aceptó dicha palabra en 1968. La informática, también llamada computación, es una CIENCIA que administra métodos, técnicas y procesos con el fin de almacenar, procesar y transmitir información y datos en formato digital. [Wikipedia] De esta forma, la informática se refiere al procesamiento automático de información mediante dispositivos electrónicos y sistemas computacionales. Los sistemas informáticos deben contar con la capacidad de cumplir tres tareas básicas: ● ● ● Entrada (captación de la información) Procesamiento Salida (transmisión de los resultados). Fundamentos de hardware 2 1.1 PREHISTORIA ● Ábaco chino (3500 - 2600 a.C.) ○ ● Representar números en el sistema decimal y realizar operaciones elementales. Quipo andino (1430 - 1550 a.C.) ○ ○ Sistema nemotécnico mediante cuerdas de lana o algodón y nudos. Usado como sistema de contabilidad y una forma de escritura. Fundamentos de hardware 3 1.1 LA ERA MECÁNICA ● 1620 - El inglés Edmund Gunter inventa la regla de cálculo, instrumento manual. Actúa como una computadora analógica. ● 1623 - El alemán Wilhelm Schickard inventa la primera máquina de calcular, cuyo prototipo desapareció poco después. ● 1642 - La pascalina (sumas y restas sencillas con ruedas dentadas). El francés Blaise Pascal. ● 1672 - Máquina aritmética de Leibniz (también multiplicaba y dividía). Fundamentos de hardware 4 1.1 LA ERA MECÁNICA ● 1804 - El francés Joseph Jacquard inventa para su máquina de tejer brocados una tarjeta perforada. ● 1822 - Máquina diferencial de Babbage (ecuaciones de 1er grado) Fundamentos de hardware 5 1.1 LA ERA MECÁNICA ● ● ● ● ● ● 1837-1871 - Máquina analítica de Babbage. Principio de funcionamiento de los ordenadores actuales. Concepto de E/S, memoria, unidad de control y aritmético lógica. 1841 - La matemática Ada Lovelace comienza a trabajar junto a Babbage en lo que sería el primer algoritmo destinado a ser procesado por una máquina, por lo que se la considera como la primera programadora de computadores 1885/1890 - Herman Hollerith inventa la máquina tabular que usaba tarjetas perforadas. 1893 - Otto Steiger desarrolla la primera calculadora automática, la Millonaria. 1911 - Herman Hollerith funda la CTR (Calculating-Tabulating-Recording) ○ 1924 - La CRT se convierte en IBM 1937 - Howard Aiken presenta su idea a IBM. Primera calculadora de la historia. La MARK I de Howard Aiken. Usaba tarjetas perforadas y componentes mecánicos. 17 m. de largo y 70 toneladas. Fundamentos de hardware 6 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 1 1939 - 1945 - 2ª Guerra Mundial ● 1936 - 1954: el matemático y computólogo inglés Alan Turing, nacido en 1912, formaliza los conceptos de algoritmo y de máquina de Turing, que serían claves en el desarrollo de la computación moderna. Trabajó para descifrar los códigos nazis. La carrera de Turing terminó en 1952 súbitamente tras ser procesado por homosexualidad. ● 1938: El ingeniero alemán Konrad Zuse completa la Z1, la primera computadora que se puede considerar como tal. Usaba el binario. Fundamentos de hardware 7 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 1 1939 - 1945 - 2ª Guerra Mundial ● 1944 - Dr. John von Newmann desarrolla la idea de programa interno o almacenado, que es básicamente el que se sigue en la actualidad. - IBM construye la Hardvard MARK I en EEUU que empleaba señales electromagnéticas para mover las partes mecánicas. Funcionaba con relés, se programaba con interruptores y leía los datos de cintas de papel perforado. - Inglaterra construye el Colossus Mark I y Colossus Mark II, con el objetivo de descifrar las comunicaciones de los alemanes durante la Segunda Guerra Mundial a través de criptoanálisis. Son los primeros dispositivos calculadores electrónicos. Fundamentos de hardware Mark II 8 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 1 ● 1946 - Primer computador electrónico (ENIAC). Usó 17.468 válvulas de vacío y fue la primera computadora electrónica de propósito general. Ocupaba 167m2 y pesaba 127 toneladas. Tenía 6 subprofesionales. Fundamentos de hardware 9 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 1 ● 1947 - ¿Qué pasó en la Hardvard MARK II? Bug! El 9 de septiembre de 1947, la física y matemática Grace Murray Hopper y otros que trabajaban en la Universidad de Harvard en el Mark II informaron de que el ordenador sufrió un fallo en el relé electromagnético #70 del panel F. Cuando se investigó ese relé, el equipo encontró una polilla (bug) electrificada que provocó que el relé quedase abierto. Hopper pegó el insecto con cinta adhesiva en la bitácora con el comentario. Fundamentos de hardware 10 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 1 ● 1951 - Primer ordenador en trabajar con programa almacenado (EDVAC). Dr. John von Newmann y Primer ordenador comercial (UNIVAC-I). Usaba cintas magnéticas. Fundamentos de hardware 11 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 2 ● ● ● ● 1953 - IBM 650 - Amplía el uso del lenguaje ensamblador. 1954 - Primer transistor de silicio operativo, desarrollado en los Laboratorios Bell por el químico Morris Tanenbaum. 1957: Jack S. Kilby construye el primer circuito integrado. 1959 - Se construye el IBM 1401 que sustituye la válvula de vacío por el transistor. Reducción considerable del tamaño y aumento de potencia, rapidez y fiabilidad. Se introducen los lenguajes de alto nivel (cobol, fortran y algol). Fundamentos de hardware 12 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 3 ● 1964: La aparición del IBM 360. Placas de circuito impreso con múltiples componentes elementales pasan a ser reemplazadas con placas de circuitos integrados ● 1970 - IBM 370. Ordenadores basados en circuitos integrados. Evolución del software y de los SO. Fundamentos de hardware 13 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 4 ● 1971 - Intel 4004 - Intel presenta toda la CPU en un único circuito integrado, el microprocesador. Aparecen los ordenadores personales. ● 1976: Apple presenta el primer computador personal que se vende a gran escala. Fundamentos de hardware Foto de Ed Uthman - originally posted to Flickr as Apple I Computer 14 1.1 LA ERA ELECTRÓNICA - GENERACIÓN 5 ● ● ● 1981: se lanza al mercado el IBM PC. 1982: Microsoft presenta su sistema operativo MS-DOS, por encargo de IBM. 1983 - Japón lanzó el llamado programa de la quinta generación de computadoras con el objetivo de construir máquinas capaces de comunicarse en un lenguaje más cotidiano. La 5ª generación empieza cuando el ordenador pasa de ser un objeto exclusivo militar, empresarial, universitario, administrativo o gubernamental y entra de lleno en el doméstico. Fundamentos de hardware 15 Una clasificación de SI pueden ser... ● Superordenadores: no se encuentran en el mercado. Específicos para tareas militares, científicas, etc. ● Macroordenadores (mainframes): dan servicio a cientos de usuarios. ● Servidores y estaciones de trabajo (workstation): ofrecen servicios a otros ordenadores como acceso a BBDD, redes, impresoras, archivos, etc. ● Ordenadores personales: surgieron tras la incorporación de los microprocesadores. Usados en el ámbito doméstico. Podemos incluir aquí los dispositivos móviles. Fundamentos de hardware 16 Superordenadores más potentes del mundo Dato de junio de 2020 Nº 1 -- Superordenador Fugaku (Japón) - Creado por Fujitsu ○ ○ ○ ○ ○ ○ Procesadores A64FX 48C 2.2GHz Procesador gráfico GPU NVIDIA V100 415,530 TFlop/s de procesamiento 7.299.072 de núcleos 4.866.048 GB de RAM Sistema Operativo RHEL 8 (Linux Red Hat Enterprise) Un TeraFLOPS es una medida de la potencia de un ordenador. Equivale a 1.000.000.000.000 FLOPS, es decir, mil millones de FLOPS, donde FLOPS significa "operaciones de coma flotante por segundo" (Floating-point Operations Per Second) Ejemplo: el procesador Intel i7 9800X de 8 núcleos alcanza los 771 gigaflops. Entre un gigaflop y un petaflop hay un millón de unidades de diferencia. Fundamentos de hardware 17 Superordenadores más potentes del mundo Dato de junio de 2020 Nº 2 -- Superordenador Summit (Tennessee - EEUU) ○ ○ ○ ○ ○ ○ Procesadores IBM POWER9 22C 3.07GHz Procesador gráfico GPU NVIDIA V100 148.600 Tflops de procesamiento 2.414.592 de núcleos 2.801.664 GB de RAM Sistema Operativo RHEL 7.4 (Linux Red Hat Enterprise) Fundamentos de hardware Ver imágenes 18 Superordenadores más potentes del mundo Dato de junio de 2020 Nº 3 -- Superordenador Sierra (California - EEUU) ○ ○ ○ ○ ○ Procesadores IBM POWER9 22C 3.1GHz 94.640 Tflops de procesamiento 1.572.480 de núcleos 1.382.400 GB de RAM Sistema Operativo Red Hat Enterprise Linux Nº 4 -- Superordenador Sunway TaihuLight (Wuxi - China) ○ ○ ○ ○ ○ Procesadores Sunway SW26010 260C 1.45GHz 93.014,6 TFlops de procesamiento 10.649.600 de núcleos 1.310.720 GB de RAM Sistema Operativo Sunway RaiseOS 2.0.5 Ver vídeo Fundamentos de hardware 19 Superordenadores más potentes del mundo Dato de junio de 2020 Nº 37 -- Superordenador MareNostrum (Barcelona - España) ○ ○ ○ ○ ○ ○ Procesadores Intel Xeon Platinum 8160 24C 2.1GHz 6.470,8 TFlop/s de procesamiento 153.216 de núcleos 41.664 GB de RAM Sistema Operativo SUSE Linux Fabricado por Lenovo https://youtu.be/nctTZplQY-o Fundamentos de hardware 20 Curiosidades ● Intel, IBM o AMD proveen de procesadores a la mayoría de superordenadores salvo a los chinos… por ello… se vieron obligados a desarrollar su propia tecnología, como los procesadores Sunway o los procesadores gráficos Cray. En consecuencia, en la lista TOP500 destacan firmas chinas como Lenovo, Inspur o Sugon. ● Solo la europea Bull y la japonesa Fujitsu consiguen una posición en la lista de fabricantes o instaladores de superordenadores. ● Más información en: https://www.top500.org/lists/top500/ Fundamentos de hardware 21 Ejemplo de mainframes (macroordenadores) ● IBM z14 ○ ○ ○ Hasta 8 TB de RAM Más de 850 millones de transacciones al día totalmente encriptadas incorpora un motor de encriptación que, por primera vez, permite encriptar todos los datos asociados con cualquier aplicación, servicio cloud, dispositivo externo o base de datos Fundamentos de hardware 22 Ejemplo de workstation (servidores) ● Servidor Hp Proliant Microserver Fundamentos de hardware ● Servidor XEON 1500 23 2. Concepto de sistema informático. 2.1 Hardware y Software. ● ● ● ● ● ● Comprar entradas de cine Plataformas digitales de video / audio Buscar trabajo Supermercado Viajes Relaciones sociales 😓 SISTEMA INFORMÁTICO ● ● ● Fundamentos de hardware HARDWARE SOFTWARE RECURSOS HUMANOS QUE LO ADMIN. 24 2. Concepto de sistema informático. 2.1.1 Hardware. ● Parte física y tangible formada por todos los elementos electrónicos, mecánicos y electromecánicos. ● INTERNAMENTE: la placa base que contiene la CPU (microprocesador), tarjetas (red, sonido, …), la memoria (RAM), los discos duros, fuente de alimentación, … EXTERNAMENTE: los periféricos… ● ○ ○ ○ Periféricos de entrada: ratón, teclado, micrófono, … Periféricos de salida: pantalla, impresora, proyector, altavoces, … Periféricos de entrada/salida: Pendrives, discos duros externos, pantalla táctil, ... 25 Fundamentos de hardware Arquitectura de un ordenador ● Actualmente se habla del concepto de “organización de los computadores” pero tradicionalmente se mantiene el concepto de “arquitectura” para distinguir los dos tipos de organización más habituales: ○ Arquitectura Harvard ■ ■ ○ Arquitectura Von Neumann ■ ○ Dos espacios para la memoria (mem datos y mem instrucciones) No se usa habitualmente excepto para computadores para aplicaciones específicas. Solo un espacio para memoria (datos e instrucciones en el mismo) Arquitectura Von Neumann modificada ■ Mejoras que se van proporcionando Más información en apuntes UOC tema 1 en EVAGD 26 Fundamentos de hardware Elementos funcionales: Funcionalmente podemos clasificar un ordenador en... ● Unidad central de proceso (CPU) ○ ○ ● ● Memoria principal Buses ○ ○ ○ ● ● ● Unidad de control (UC) Unidad aritmético-lógica (ALU) Datos (transmite datos o instrucciones) Direcciones Control Unidad de Entrada / Salida Periféricos Memoria auxiliar / almacenamiento Fundamentos de hardware 27 Elementos funcionales - La unidad de control (UC) de la CPU ● Registro de instrucciones (RI) ○ ● Contador de programa ○ ● Interpreta el CO del RI Generador de señales o secuenciador ○ ● Almacena la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. Decodificador ○ ● La instrucción consta del código de operación (CO), modo de direccionamiento (MD) y los datos o la dirección donde están los datos. Sincronizado por el reloj, genera micro órdenes para que se ejecute la instrucción almacenada en el RI. Reloj ○ Genera las señales para controlar y sincronizar el resto del sistema. Unidad básica el Hz = 1/sg. ■ Ejemplo: Si un microprocesador trabaja a 3GHz, queremos decir que realiza 3 mil millones de operaciones por segundo. Fundamentos de hardware 28 Elementos funcionales - La ALU ● Registro de datos ○ ● Registro acumulador (AC) ○ ● Almacena el resultado de la operación que se ha realizado. Registro de estado (RE) ○ ● Contiene los datos de entrada u operandos sobre los que se va a realizar la operación aritmética o lógica. Almacena las condiciones de la última operación realizada. ■ Resultado cero (Z) ■ Resultado negativo () ■ Acarreo (C) ■ Desbordamiento (O) ■ ... Circuito operacional ○ Circuitos electrónicos que realizan las operaciones aritméticas y lógicas. Fundamentos de hardware 29 Elementos funcionales - La memoria principal ● RAM (Random Access Memory) ○ ○ ○ ● Almacena desde las unidades de almacenamiento externo las instrucciones y los datos necesarios para ejecutar un programa. Es un tipo de memoria volátil. Tipos de registros: ■ Registro de direcciones: contiene la dirección de memoria a leer o escribir. ■ Registro de intercambio: almacena el dato que se va a leer o escribir. ■ Selector de memoria: selecciona la dirección de memoria sobre la que se va a trabajar. ROM (Read Only Memory) ○ ○ No es una memoria volátil. Contiene la información para el arranque del sistema o para el funcionamiento de ciertos dispositivos. Fundamentos de hardware 30 Microcontroladores ● Los microcontroladores y el DSP (procesador de señales digitales o digital signal processor) son dos tipos de computadores que utilizan arquitectura Harvard. ● Sistema encargado de controlar el funcionamiento de un dispositivo, como, por ejemplo, controlar que el nivel de un depósito de agua esté siempre entre un nivel mínimo y un nivel máximo o controlar las funciones de un electrodoméstico. ● Se implementan utilizando un único circuito integrado, y por este motivo se denominan microcontroladores en lugar de simplemente controladores. ● Un microcontrolador se considera un computador dedicado. ● Aplicaciones de los microcontroladores: ○ Telecomunicaciones → microcontroladores son los teléfonos móviles. ○ Productos de gran consumo → lavadoras, lavavajillas, microondas, etc. ○ Automoción → controlar los airbags, o el frenado. ○ Informática → ratones, teclados, impresoras, escáneres, discos duros. ○ Industria → robótica o el control de motores. Fundamentos de hardware 31 Microcontroladores (Estructura) ● Bloque 1: Unidad de proceso ○ Procesador Fundamentos de hardware – Memoria de programa – Memoria de datos – Líneas de interconexión 32 Microcontroladores (Estructura) ● Bloque 2: Dispositivos de E/S ○ ○ ○ ○ ● Temporizadores → Permiten contar el tiempo y establecer retardos. Convertidores analógico-digital (ADC) y digital-analógico (DAC) Comparadores analógicos → permiten tratar señales analógicas. Puertos de comunicación → En serie, paralelo, USB, etc. Mediante estos módulos se obtienen o se envían datos de los dispositivos externos al microcontrolador. Bloque 3: Recursos auxiliares ○ ○ ○ ○ ○ Circuito de reloj → genera los pulsos para sincronizar todo el sistema. Modos de bajo consumo Sistema de protección para posibles fallos de la alimentación. Temporizador de vigilancia o watchdog → circuito temporizador que provoca una reinicialización del sistema si el programa se bloquea por alguna condición de fallo. Reinicialización o reset Fundamentos de hardware 33 DSP (Procesador de señales digitales) ● ● ● ● ● Dispositivo capaz de procesar en tiempo real señales procedentes de diferentes fuentes. Difíciles de distinguir porque tiene características propias de los microcontroladores y también de los microprocesadores. Implementan muchas operaciones por hardware y no por software. Por eso su HW puede ser más complejo. Escalables para trabajar en paralelo con otros DSP. Requiere elementos de sincronización. Aplicaciones: ○ Procesamiento de audio digital, compresión de audio, procesamiento de imágenes digitales, compresión de vídeo, procesamiento de voz, reconocimiento de voz, las comunicaciones digitales, etc. Fundamentos de hardware 34 DSP (Procesador de señales digitales) ● El procesador dispone habitualmente de múltiples ALU y multiplicadores capaces de hacer distintas operaciones aritméticas en un solo ciclo de reloj. Fundamentos de hardware 35 2. Concepto de sistema informático. 2.1.2 Software. ● ● ● Parte imprescindible, ya que es clave para comunicarse con el HW o con otro SW. Ofrece los recursos del sistema al usuario de forma cómoda y eficiente (objetivo importante). Cuando enciendes el ordenador pasa lo siguiente: ○ ○ 1) Se activa el gestor de arranque (bootloader) de la BIOS ■ programa sencillo que no tiene la totalidad de las funcionalidades de un sistema operativo, y que está diseñado exclusivamente para preparar todo lo que necesita para iniciar el sistema operativo. ■ El proceso de arranque comienza cuando la CPU ejecuta los programas contenidos en una memoria de solo lectura en una dirección predefinida y se configura la unidad central para ejecutar este programa, sin ayuda externa, al encender el ordenador. 2) Se inicializa el sistema operativo y los dispositivos. Fundamentos de hardware 36 2.2 Sistemas de numeración. ● ● ● ● ● Un sistema de numeración es el conjunto de símbolos y reglas que se utilizan para representar cantidades o valores numéricos. Pueden ser posicionales o no. El sistema más utilizado de la historia es el sistema posicional decimal, cuya base es 10 y los dígitos entonces irán del 0 al 9. Un sistema no posicional muy conocido sería los números romanos. Teorema fundamental de la numeración (sistemas posicionales) ○ ○ ○ ○ ● N valora de la cantidad que queremos. n el número de dígitos (el primero de la parte entera es el 0) B es la base X son los distintos dígitos del número. Los ordenadores usan el sistema binario Fundamentos del Hardware 37