Codificaciรณn de la Informaciรณn y Hardware: arquitectura del ordenador
Informรกtica 4ยบ ESO I.E.S. Pedro Simรณn Abril (Alcaraz)
CRITERIO DE EVALUACIÓN DE LA UNIDAD C2. Identificar los modelos de distribución de software y contenidos y adoptar actitudes coherentes con los mismos. INDICADORES DE LA UNIDAD 2.1. Sabe definir y operar con los sistemas de numeración básicos para la codificación de la información. 2.4. Muestra una actitud favorable, respetuosa y coherente ante la materia
1. Datos e Información. Codificación. En informática la información se codifica mediante dos
dígitos: 0 y 1, llamados bits. La razón de utilizar tan sólo dos dígitos es debida a que los dispositivos de un ordenador sólo presentan dos estados posibles: activado/desactivado, encendido/apagado,… El sistema de numeración que utiliza los dígitos 0 y 1, se denomina sistema binario. El sistema binario emplea como base el número 2, mientras que el sistema arábigo o decimal (el que habitualmente utilizamos) emplea como base el número 10.
1.1. Sistemas de Numeración 1. Decimal o Arábigo: - Es el más utilizado habitualmente. - Utiliza 10 dígitos (de 0 a 9). - Cada dígito tendrá un valor, dependiendo de la posición que ocupe (unidades, decenas, centenas, millares, etc…) - El valor de cada dígito se asocia a una potencia de base 10.
Ejemplo: 5.521 = 5 x 103 + 5 x 102 + 2 x 101 +1 x 100 6.731,45 = 6 x 103 + 7 x 102 + 3 x 101 +1 x 100 + 4 x 10-1 + 5 x 10-2
2. Binario: - Utiliza tan sólo dos dígitos, 0 y 1 (bits) - El valor de los dígitos cambiará, en función de la posición que ocupen. - El valor de cada dígito se asocia a una potencia de base 2 y un exponente igual a su posición (desde la derecha) menos uno. Ejemplo: el número binario 11011 tendrá como valor decimal: 11011= 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 = 27
Conversión de un número binario a decimal y viceversa: a) De decimal a binario: 45,63 . Comenzamos por la parte entera: Cociente Resto 45:2 22 1 22:2 11 0 11:2 5 1 5:2 2 1 2.2 1 0 Bit más significativo 1 0 1 10 1
(2)
Continuamos con la parte decimal: 0,63 x 2 = 1,26 0,26 x 2 = 0,52 0,52 x 2 =1,04 Por tanto el número 45,63, tendrá como equivalente binario: 45,63 (10) = 101101,101 (2) La cantidad de dígitos del número binario dependerá del valor del número decimal. En el caso anterior el número 45 queda definido por 6 dígitos. Como 26 = 64, este es el total de números que pueden representarse en el sistema binario con seis dígitos. Para número superiores a 64 necesitamos más dígitos. El total de números que se pueden representar con n dígitos binarios es 2n, y el número más grande que se puede representar 2n -1
b) De binario a decimal. 1101,11 = 1 x 23 + 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 + 1 x 2-1 + 1 x 2-2 = 8 + 4 + 0 + 1 + 0,5 + 0,25 = 13,75
1. Expresa, en código binario los números: 55, 205 y 36,56 2. Expresa de binario a decimal los números: 1100101, 101101, 100001,11 3. Indica, sin convertirlos al sistema decimal, cuál es el mayor de los siguientes números binarios: 01001000 y 01000010 4. ¿Cuántos caracteres diferentes se pueden presentar utilizando el sistema binario con 3 dígitos? ¿y con 8? ¿cuál es el número más grande que podría representarse en ambos casos?
3. Octal: - Utiliza 8 dígitos (de 0 a 7). - Cada dígito tendrá un valor, dependiendo de la posición que ocupe - El valor de cada dígito se asocia a una potencia de base 8. Ejemplo: a) Conversión de decimal a octal: 122 Cociente Resto 122:8 15 2 15:8 1 7
1
7
2 (8)
b) Conversión de octal a decimal: 237 237 (8) = 2 x 82 + 3 x 81 + 7 x 80 = 124 + 24 + 7 = 159 (10)
c) Conversión de binario a octal y viceversa: cada dígito del número octal equivale a tres dígitos del binario: 5 1 3 1 0 1 0 0 1 0 1 1 (2) 7 5 0 (8)
1 1 1 1 0 1 0 0 0 (2)
4. Hexadecimal: - Utiliza 16 dígitos símbolos: diez dígitos numéricos (del 0 al 9) y seis caracteres (de la A a la F) que representan cantidades decimales comprendidas entre 10 y 15.. - Cada símbolo tendrá un valor, dependiendo de la posición que ocupe - El valor de cada dígito se asocia a una potencia de base 16.
a) Conversión de decimal a hexadecimal: 1735 Cociente Resto 1735:16 108 7 108:16 6 12
6 C
7 (16)
c) Conversión de binario a hexadecimal y viceversa: cada dígito del número hexadecimal corresponde a cuatro dígitos del binario: 1 0 1 0 0 1 1 1 (2) 7 (16) A 2 E (16)
0010 1110
(2)
Ejercicios 1. Transforma en octal los siguientes números decimales: a) 46
b)26
c) 423
d)829
c) 120 (8)
d) 320 (8)
2. Transforma de octal a binario: a) 25 (8)
b) 36 (8)
3. Convierte los siguientes números al sistema hexadecimal:
a) 10010010(2) b) 32 (10)
c) 00011111 (2)
d)204 (10)
4. Transforma al sistema numérico que se indica en cada caso: a) 8F(16) = ___(10)
b) 110011 (2) =____(8)
d) 100011111(2)= ______ (16)
c)____(8)= 230 (10)
e)_____________(2)= 49A(16)
1.2. El Código ASCII Se trata de un sistema de codificación de la información, en el que las letras, números y símbolos, es decir, los caracteres tienen asignado un número decimal comprendido entre 0 y 255, que, una vez convertido al sistema de numeración binario, nos da el código de cada carácter. Cada carácter, en el sistema binario, debe estar constituido por una secuencia de 8 dígitos. Si el carácter, por su valor decimal, no llega a alcanzar los 8 dígitos binarios, se completa con ceros a la izquierda hasta completar el grupo de 8. El ordenador en código ASCII siempre trabaja con grupos de 8 dígitos para no mezclar dígitos de caracteres distintos.
1.3. Medidas de la información La unidad más pequeña de información en un ordenador corresponde a un dígito binario, es decir, a un cero o un uno. A este dígito lo denominamos bit (binary digit). El conjunto de 8 bits forman 1 byte. En el ordenador, y atendiendo al código ASCII, cada carácter corresponde a 1 byte (8 bits). Como estas unidades resultan muy pequeñas, se emplean múltiplos como el Kilobyte, Megabyte, Gigabyte,… Múltiplo
Equivalencia
1 kilobyte (KB)
1024 bytes
1 Megabyte (MB)
1024 Kilobytes
1 Gigabyete (GB)
1024 Megabytes
1 Terabyte (TB)
1024 Gigabytes
1 Petabyte (PB)
1024 Terabytes
1 Exabyte (EB)
1024 Petabytes
Nota: se considera que kilo = 1024 porque 210 = 1024 (valor que más se aproxima a 1000) Ejercicios. 1. ¿Cuántos bytes ocupa tu nombre completo? ¿y bits? 2. ¿Cuántos disquetes de 3 ½ , de capacidad 1,44 MB, podemos copiar en un disco duro de 20 GB?
2. Arquitectura del ordenador Los ordenadores están constituidos por componentes físicos (hardware) y por un conjunto de instrucciones (software) que les hacen funcionar. Tanto el hardware como el software, evolucionan rápidamente; la evolución del hardware va orientada a conseguir máquinas más rápidas y potentes y la del software a desarrollar nuevas aplicaciones o programas que aprovechen mejor el hardware disponible.
Podemos decir que el hardware del ordenador está constituido básicamente por: • CPU (Central Process Unit): encargada del procesamiento de los datos •La Memoria: almacena la información que se procesa y los resultados obtenidos •Periféricos de entrada y salida: permiten el intercambio de la información •Dispositivos de almacenamiento (entrada/salida): guardan la información de forma permanente.
2.1. CPU: placa base, bios, chipset y micropocesador (CPU) Placa Base o Placa madre Es la plataforma en la que se conectan directamente o a través de las ranuras de expansión (slots) todos los componentes de ordenador: disco duro, memorias, monitor, teclado,… En las ranuras de expansión se introducen otras placas, de menor tamaño, llamadas tarjetas de expansión, que permiten conectar los distintos periféricos del ordenador (tarjeta gráfica, tarjeta de sonidos, disco duro…) Los buses son los canales por los que circula la información. Están presentes tanto en la placa base como en todos los dispositivos conectados al ordenador. Los buses están constituidos por un elevado número de líneas metálicas, cada una de las cuales transmite información: algunas de control, otras transportan direcciones en las que deben leerse o escribirse datos y por el resto simplemente circulan datos. El número de líneas que forman el bus, se denomina ancho de bus, y se corresponde con la cantidad de bits que se pueden transferir (8, 16,32, 64,…líneas).
Chips: fabricados con silicio y que están compuestos por millones de pistas electrónicas formando circuitos. Exteriormente están recubiertos de plástico y presentan unos pines (patas de alambre) que sirven para conectarlos. En función del circuito que los integra desempeñarán una tarea concreta.
Chipset: es el conjunto de chips situado en la placa base y cuya función fundamental es la gestión de los periféricos externos a través de los puertos de comunicación y ranuras de expansión. También se encarga de controlar la transferencia de datos entre el microprocesador y la memoria.
Zócalo del microprocesador: en él irá dispuesto el mircroprocesador (CPU), cerebro del ordenador. BIOS (Basic Input Output System): Es un programa instalado en la placa base del ordenador que se encarga de la configuración del hardware básico del ordenador y controla, entre otras cosas, el arranque. La Bios es un tipo de memoria ROM Pila: se trata de un acumulador que se encarga de conservar los parámetros de la BIOS cuando el ordenador está apagado. Sin ella, cada vez que encendiéramos el ordenador tendríamos que introducir las características del disco duro, chipset, fecha…
Por último y también formando de la placa base nos encontramos con los puertos, que son los conectores a través de los cuales conectamos al ordenador la mayoría de los dispositivos. Tipos de puertos Serie Transfieren la información de forma lenta. A ellos se conectan dispositivos que no necesitan transferir mucha información (ejemplo: el ratón) Permiten conectar dispositivos alejados de la CPU Normalmente el ordenador dispone de dos puertos serie llamados COM1 y COM2 Paralelo Transfieren más cantidad de información que un serie (1 byte en vez de 1 bit) A ellos se conectan dispositivos con mayor transferencia de información (ejemplo: impresoras) Disponen de mayor número de canales internos, lo que supone que los cables no pueden ser muy largos para evitar interferencias) Normalmente el ordenador dispone de un solo puerto paralelo denominado LPT1 USB Son puertos serie de gran velocidad de transferencia de información Permiten conectar y desconectar los dispositivos sin necesidad de apagar el ordenador. La velocidad de transferencia de datos en los USb2 llega a los 480 Mbps.
Firewire o i. Link Velocidad de transferencia similar a los puertos USB 2 Permiten conectar dispositivos sin apagar el ordenador Suelen utilizarse para transferir vídeo, por ejemplo desde una videocámara digital.
Infrarrojos (IrDA) Permiten conectar dispositivos sin necesidad de cables Su velocidad de transferencia de datos es inferior a la de los USB y Firewire (máx 4Mbps) Se utilizan para intercambiar información con PDA, teléfonos móviles, …
2.1.1. El Microprocesador (CPU) Es el auténtico cerebro del ordenador, ya que se encarga de realizar todas las operaciones de procesamiento de datos, además de controlar el funcionamiento de todos los dispositivos del ordenador.
Para que la CPU procese un dato, debe conocer tanto las instrucciones del proceso (se las proporcionará el programa) como el propio dato. Esta información debe estar disponible en la memoria. Una vez procesado el dato la CPU lo enviará a la memoria RAM, desde donde se podrá distribuir al resto de los componentes del ordenador. La CPU no ejecuta programas, ni procesa datos de los dispositivos de almacenamiento, sino que sólo puede hacerlo desde la memoria RAM, motivo por el que previamente ha de cargarlos en memoria. Las partes fundamentales de la CPU son: la unidad de control que dirige todas las operaciones con las instrucciones dadas por los programas y la unidad aritmético-lógica, que realiza todas operaciones aritméticas y lógicas del ordenador. Una de las características más importantes de los microprocesadores es su bus, lo cual determina los bits que puede transmitir simultáneamente. Actualmente el ancho de bus de los microprocesadores es de 64 bits. La velocidad de procesamiento de la información de los microprocesadores se mide en Hz (GHz). Magnitud física que expresa los ciclos (operaciones) por segundo.
2.2. Memoria La memoria es un componente esencial de los ordenadores. En un ordenador hay varias memorias, con diferentes tipos y distintas funciones: memoria ROM, memoria caché, memoria RAM, etc. Además todos los dispositivos del ordenador llevan incorporada su propia memoria: las impresoras, las tarjetas de video, el disco duro… Memoria RAM (Random Access Memory) Componente imprescindible para el ordenador Prepara las instrucciones y los datos para que la CPU pueda procesarlos y almacenarlos temporalmente Es una memoria de acceso aleatorio, en la que se puede leer y escribir Es volátil, con lo que se pierde su contenido al apagar el ordenador Está constituida por un conjunto de casillas denominadas posiciones de memoria, en la que se almacenan los datos. Cada posición de memoria está identificada por un número denominado dirección de memoria. Cada posición almacena la información correspondiente a un byte. Actualmente, tanto las aplicaciones como los sistemas operativos, requieren una gran cantidad de memoria, siendo necesario disponer como mínimo de 1GB.
Para ampliar la memoria RAM del ordenador, basta con comprar módulos de memoria y conectarlos en la correspondiente ranura de la placa base. Los módulos se clasifican por el tipo de conector, podemos destacar: •Módulos SIMM: ya en desuso. Con 30 a 72 contactos y baja capacidad de almacenaje (1, 4, 8,..64MB) •Módulos DIMM: 168 contactos y elevada capacidad (128 MB, 256 MB…) •Módulos DDR: utilizados actualmente. Con 184 contactos y elevada capacidad (256 MB, 512 MB, 1GB..)
Memoria caché Tipo de RAM mucho más rápida que la convencional Almacena información, pero en este caso dispone de las instrucciones o datos que acaba de utilizar o va a utilizar el microprocesador. Se sitúa entre el microprocesador y la memoria RAM, para agilizar la transferencia de información entre ellos Memoria virtual Los sistemas operativos utilizan parte del disco duro para simular memorias RAM y así aumentar la memoria total del ordenador. A esta memoria se la conoce genéricamente como memoria virtual (o memoria de intercambio swap en Linux). Esta memoria es más lenta que la RAM normal, por lo que lo conveniente es que el ordenador la utilice poco. Cuanto mayor sea la RAM del ordenador, el sistema operativo menos uso hará de la memoria virtual. Memoria ROM (Read Only Memory) Es sólo de lectura, no se puede escribir en ella. Contiene la información grabada por el fabricante, que no desaparece al desconectar el equipo. La memoria ROM del ordenador está constituida por la BIOS Memoria RAM CMOS Cantidad de memoria incorporada a un chip de la placa base y cuya función es almacenar parte de la configuración del sistema (fecha y hora) y datos de configuración de periféricos no controlados ni chequeados por la BIOS. Se alimenta con una pila o batería para no perder la información al apagar el equipo
Ejercicios 1. El código ASCII para el símbolo ? Es 00111111. ¿cómo se representa este símbolo en octal y hexadecimal? 2. De los números 11100111 y E7 ?cuál es el mayor? 3. Las direcciones de la memoria RAM suelen representarse en el sistema hexadecimal ¿a qué posición decimal corresponde la dirección 0CF250? 4. ¿Para qué sirve el programa BIOS SET de un ordenador? ¿Dónde crees que se guardan los datos que se modifican con dicho programa? 5. Investiga qué microprocesadores se están utilizando en la actualidad, tanto en ordenadores portátiles como de sobremesa, y cuáles son sus velocidades de proceso. 6. Existe una técnica que consiste en aumentar la velocidad de proceso de un microprocesador, denominada overclocking. Averigua cómo se consigue e indica cuáles son los riesgos que se corren al realizar dicha acción
2.3. Dispositivos de entrada y salida Los dispositivos o periféricos de entrada son aquellos que permiten introducir la información desde el exterior al ordenador. Tipos: Ratón: introduce la información bien desplazándolo por una superficie lo que provoca el movimiento de su indicador de pantalla, o bien pulsando sus botones. Teclado: introduce la información a través de sus teclas de caracteres Lector de código de barras: lee e interpreta la información contenida en la secuencia de barras de un producto (propio de almacenes, supermercados,…) Escáner: introduce la información por digitalización de documentos en papel. Puede interpretar caracteres (mediante el sistema OCR (Optical Character Recognition). La calidad se cuantifica en ppp (puntos por pulgada) Tableta digitalizadora: se utilizan para realizar dibujos y gráficos con gran precisión (delineación, arquitectura, diseño,…) Lector de bandas magnéticas: introducen la información contenida en un banda magnética (tarjetas de crédito, identificador de personal…) Pantallas táctiles: la información se introduce situando el dedo sobre la superficie (por ejemplo elegir opción, ejecutar orden, obtener información,…) Cámaras digitales: fotográficas o de vídeo. Micrófono: actúa como dispositivo de entrada, siempre y cuando dispongamos de tarjeta de sonido.
Los dispositivos o periféricos de salida son aquellos que permiten obtener la información procesada en el ordenador (de forma visual, impresa,….) Tipos: Monitores convencionales: su funcionamiento se basa en la utilización de un tubo de rayos catódicos, que envía desde el fondo hacia la pantalla, un haz de electrones que al chocar contra la superficie fosforescente interna de la pantalla, la ilumina y forman las imágenes. Las imágenes están formadas por píxeles (puntos) . Pantallas de cristal líquido (LCD): utilizan millones de celdas de cristal líquido que se polarizan y permiten el paso de determinados rayos, que componen la imagen en el monitor (ej: ordenadores portátiles). Pantallas planas (TFT): formadas por una matriz de millones de puntos; cada uno es un transistor que actúa de forma independiente, con su color, tono, brillo, etc y el conjunto de todos ellos forma una imagen de alta calidad. Monitores de plasma; se basan en la utilización de un gas (plasma) que, en cada uno de los píxeles de la pantalla, adquiere el color, brillo, etc necesarios para formar la imagen. Pantallas LED: compuestas de paneles o módulos de leds (diodos emisores de luz) monocromáticos (ledes de un solo color) o policromáticos (formados a su vez por ledes RGB (los colores primarios: rojo, verde y azul de las pantallas o proyectores), u otras configuraciones). Dichos módulos en conjunto forman píxeles y de esta manera se pueden mostrar caracteres, textos, imágenes y hasta vídeo, dependiendo de la complejidad de la pantalla y el dispositivo de control. Impresoras: su calidad se mide en ppp y su velocidad en cps (caracteres por segundo) o lo que es más frecuente, cpm (caracteres por minuto). Entre las más utilizadas destacan las de chorro de tinta, por su buena relación calidad/precio (inyectan la tinta a través de cabezales) y las láser, que emplean una tecnología similar a las fotocopiadoras obteniéndose así resultados de alta calidad.
2.4. Dispositivos de almacenamiento Se pueden considerar como dispositivos de entrada y salida. Dependiendo de la tecnología que utilizan para grabar la información pueden ser magnéticos (la información se graba en material magnético), ópticos (emplean tecnología óptica para grabar la información), magnético-ópticos (combinan ambas tecnologías) y memorias flash (utilizan chips de memoria) . Magnéticos
Guardan la información en superficies (discos) de carácter magnético. Los ejemplos más representativos son: el disco de 3 ½ (nombre que hacía referencia a su tamaño físico en pulgadas), hoy en día en desuso, y el disco duro, que pueden ser fijos (internos), extraíbles y/0 externos. Los discos duros están formados por un conjunto de discos apilados con un eje común; entre ellos se sitúan las cabezas de lectura-escritura de manera que puedan leer y escribir en las dos caras del disco. Dependiendo de la tecnología empleada para la transferencia de los datos, los discos duros pueden ser de varios tipos (IDE o Serial ATA). Actualmente los más utilizados son los SATA; tecnología que permite conectar hasta cuatro discos con capacidad de GB
Ópticos
CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory): contiene información que sólo puede ser leída, no modificada. Se emplea como soporte habitual de juegos, enciclopedias, software,… La información está almacenada en una sola cara, siguiendo una pista única en forma de espiral, que comienza en el centro del disco y termina en el borde exterior; está pista está dividida en sectores. La superficie del CD-ROM es de aluminio reflectante y posee un recubrimiento de material plástico que la protege. Los discos grabables se denominan WORM (Write Once Read Memory) se identifican como CD-R, los que pueden ser borrados y grabados de nuevo se denominan CD RW (Re-Writable), DVD (Digital Video Disc): son físicamente muy semejantes a los CD-ROM, pero su capacidad es mucho mayor (varios GB, teóricamente hasta 17 GB). Aunque la tecnología de estos discos es análoga a la de los CD-ROM, su láser es distinto, por eso es necesario que la unidad lectora del ordenador incorpore dos láser diferentes para poder leer DVD y CD-ROM. Los diferentes tipos de DVD son: DVD-R: permiten una sola grabación; pueden ser de una capa (4,7 GB) o doble (8,5 GB) DVD-RW: son regrabables y de una o doble capa DVD+R: de un solo uso. Similares a los DVD-R, pero según sus creadores más compatibles con los lectores convencionales. DVD+RW: discos regrabables similares a los DVD-RW, pero con mayor compatibilidad con los lectores. Al igual que todos los anteriores pueden ser de capa simple (4,7 GB) o doble capa (8,5 GB) HD DVD y Blue-ray: su aspecto físico es similar a los DVD, pero su capacidad de almacenamiento es muy superior. Se emplean para almacenar vídeos de alta definición.
Magneto-Ópticos Presentan una tecnología mixta: magnética y óptica. Ventajas: • Gran capacidad de almacenamiento de la información •Los datos pueden ser modificados y borrados gracias a la tecnología magnética Su superficie está constituida por una aleación de metal cristalino sobre superficie de aluminio. La lectura de la información se realiza del mismo modo que en un disco óptico. Dispositivos basados en Memoria Flash Las memorias flash, se utilizaban inicialmente para almacenar los datos de la BIOS, pero actualmente son los dispositivos de almacenamiento más utilizados. Se comercializan con distintos nombres (Memory Stick, Pendrive, Smart Drive,…) y no son sólo dispositivos informáticos, sino que se ha extendido su uso a otros dispositivos electrónicos como las cámaras fotográficas o de video. En el caso de los de tipo informático, su conexión se efectúa a través de los puertos USB, desde los cuales se obtiene la energía necesaria para su funcionamiento. Estos dispositivos son de reducido tamaño y no necesitan pila o batería para mantener la grabación. ¿Cómo funcionan? Cada celda de memoria, en la que almacena la información, es como un transistor convencional pero con una puerta adicional que se encarga de cargar la información. No es una memoria de tipo RAM, puesto que no necesita energía permanentemente para mantener los datos. Su vida útil es limitada porque las celdas se desgastan al grabar y borrar de ellas la información. Es una memoria sólida, no hay partes móviles, todo es electrónico en vez de mecánico.
Ejercicios 1. Imagina que vas a comprar una re-grabadora de CD y te encuentras con la siguiente información en la caja: 40x12x48x ¿sabrías interpretar esta información? 2. Indica cuantos MBytes se pueden almacenar en los siguientes medios de almacenamiento: Diskette 3 1/2 " Disco Duro Actual de unos 40 GB CD de 80 minutos DVD de 4. 7 GB 3. Actualmente en los ordenadores es frecuente disponer de una unidad combo. Explica con qué tipos de discos se pude trabajar en estas unidades. 4. ¿Cuál es la diferencia entre un CD y un DVD? 5. Investiga el significado del fenómeno físico denominado magnetorresistencia gigante y su relación con las cabezas lectoras de los discos duros portátiles y dispositivos tipo iPod. ¿quiénes son los descubridores de este fenómeno físico? ¿qué les ha reportado el descubrimiento?