Procesamiento de la información - Una aproximación a sus fundamentos

marta muriago

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS

I.S.B.N. 978-9974-96-454-9 Copyright Marta Muriago Escrito y producido por Marta Muriago Dirección Caciquillo Manuel Artigas 1993 – Colonia del Sacramento - Uruguay Correo electrónico mmuriago@adinet.com.uy jcicale@adinet.com.uy Todos los derechos reservados Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización del autor Depósito legal Nº 15239 Impreso en Uruguay Printed in Uruguay

a los alumnos con quienes aprendĂ­ a enseĂąar

Un libro sobre procesamiento de la información que pueda ser utilizado de guía para abordar con más facilidad los temas involucrados en la bibliografía de referencia.

El objetivo es que, como hoja de ruta, acompañe al lector cuando se inicia en las áreas del conocimiento desarrolladas, y síntesis global al finalizar su estudio.

ÍNDICE 01.

INTRODUCCIÓN

01.01. Conceptos generales Diferencia entre calculadora y computadora 01.02. Concepto de instrucción y programa 01.03. Estructura general de una computadora – Componentes Unidad central de proceso, UCP o CPU Memoria central o principal Periféricos de entrada/salida Dispositivos de almacenamiento masivo Controlador y canal Esquema global Conclusión 01.04. Concepto de hardware y software

02.

REPRESENTACIÓN DE DATOS

02.01.

02.02.

02.03.

02.04.

02.05.

Introducción Definiciones básicas – Bit – Byte - Palabra Noción de direccionamiento Contenido de información Representación de valores Representación de valores numéricos Representación de valores alfanuméricos Representación de valores lógicos 02.06. Álgebra de Boole

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03.

MEMORIAS – CARACTERÍSTICAS GENERALES

03.01. Concepto Memoria central o principal Memoria auxiliar o dispositivo de almacenamiento masivo Diferencia entre memoria y almacenamiento 03.02. Parámetros que caracterizan a las memorias 03.03. Tiempo de acceso y modo de acceso 03.04. Capacidad de almacenamiento 03.05. Tipo de acceso 03.06. Concepto de firmware 03.07. Distintas tecnologías en memorias

04.

MEMORIAS – ESTRUCTURA Y OPERACIÓN

04.01.

04.02.

04.03.

04.04.

04.05.

Bus: concepto y clasificación Bit de paridad Memoria principal: componentes Ciclo de lectura Ciclo de grabación

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05.

UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

Introducción – Concepto – Componentes Funciones de la unidad central de proceso Estructura de instrucciones Registros - Concepto Registros de Uso General o R.G. Registros Internos o R.In. Registro de Datos o R.Da. Registro de Dirección o R.Di. Registro de Próxima Instrucción o R.P.I. Registro Puntero de Pila o Stack Pointer Registro de Instrucción o R.I. Registro de Estado o R.E. Campo Secuencia o R.P.I. Campo Interrupción Campo Reubicación Campo Modo Campo Condición 05.13. Ejecución de instrucciones - Conceptos generales 05.14. Instrucciones de control 05.15. Otras consideraciones sobre la UCP CISC y RISC 05.01.

05.02.

05.03.

05.04.

05.05.

05.06.

05.07.

05.08.

05.09.

05.10.

05.11.

05.12.

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06.

ETAPAS DE UN PROGRAMA

06.01.

06.02.

06.03.

06.04.

06.05.

06.06.

06.07.

06.08.

06.09.

06.10.

Introducción Etapas y procedimientos Programa fuente y editor de texto Programa objeto y compilador Programa ejecutable y vinculador o linker Imagen de memoria y cargador Proceso Modos de direccionamiento Macroinstrucción y subrutina Máquina elemental basada en microprocesadores 80xx

07.

INTERRUPCIONES

07.01. Conceptos generales 07.02. Clases de interrupciones 07.03. Proceso de atención de interrupción

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08.

TELEINFORMÁTICA

08.01.

08.02.

08.03.

08.04.

08.09.

Clasificación: sistemas centralizados y sistemas distribuidos Tipo de procesadores Objetivos de los sistemas distribuidos Conceptos generales – Conceptos relacionados Informática Telecomunicación Teleinformática Red de transmisión de datos Tipo de redes de transmisión Sistema de archivos Modos de computación Consideraciones de diseño Topología Estrategia de encaminamiento, ruta o routing Estrategia de conexión Seguridad y competencia Estrategia de diseño Ordenación de sucesos

09.

COMPUTADORAS DE ALTAS PRESTACIONES

08.05.

08.06.

08.07.

08.08.

09.01. Introducción 09.02. Clasificación de computadoras de acuerdo a su paralelismo 09.03. Clasificación comercial de procesadores paralelos Procesadores segmentados Procesadores de arquitectura SIMD Multiprocesadores 09.04. Procesadores de quinta generación 09.05. Algunas referencias comerciales PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 00 ----------------- 11

10.

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS OPERATIVOS

10.01.

10.02.

10.03.

10.04.

10.05.

10.06.

Concepto de sistema operativo Programa de arranque Generación de sistemas o Sysgen y proceso de instalación o Install Modos de procesamiento: batch o por lotes, interactivo y tiempo real Monoprogramación, multiprogramación y multiprocesamiento Componentes de un sistema operativo Gestión de procesos Gestión de memoria principal Gestión de archivos Gestión del sistema de entrada/salida Gestión de almacenamiento masivo o secundario Gestión de fiabilidad Gestión de protección Gestión de seguridad Gestión de integridad: control de concurrencia y restricciones de integridad Gestión de teleinformática Gestión de mantenimiento Gestión contable Gestión de interpretación de órdenes

11.

GESTIÓN DE MEMORIA

11.01.

11.02.

11.03.

11.04.

11.05.

11.06.

11.07.

Introducción - Espacio de direcciones lógico y físico Superposición u overlay – Intercambio o swapping Asignación contigua Paginación Segmentación Segmentación paginada y paginación segmentada Memoria virtual

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12.

GESTIÓN DE PROCESOS

12.01.

12.02.

12.03.

12.04.

12.05.

12.06.

12.07.

12.08.

12.09.

12.10.

12.11.

12.12.

Concepto de proceso Planificación de procesos Conmutación de contexto Hilos Operaciones con procesos padre/hijo Procesos cooperativos Comunicación entre procesos o Ipc Transacciones Control de concurrencia Sistemas de recuperación Sincronización de procesos Bloqueo mutuo o abrazo mortal

13.

SISTEMA DE ARCHIVOS

13.01. Introducción Discos magnéticos 13.02. Concepto de archivo 13.03. Directorio 13.04. Operaciones con archivos 13.05. Gestión de espacio libre 13.06. Métodos de asignación de espacio 13.07. Métodos de acceso 13.08. Implementación del sistema de archivos 13.09. Subsistema de entrada/salida del núcleo Planificación de entrada/salida Uso de buffers Uso de spool Uso de caché PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 00 ----------------- 13

14.

ANÁLISIS DE SISTEMAS

14.01. Introducción 14.02. Ciclo de vida de un proyecto 14.03. Características de los diversos modelos LE o lista de eventos DC o diagrama de contexto DFD o diagrama de flujo de datos STD o diagrama de transición de estados ERD o diagrama entidad relación o MER DD o diccionario de datos EPR o especificaciones de procesos

15.

SISTEMA MANEJADOR DE BASE DE DATOS O DBMS

15.01. Conceptos generales Abstracción de la información Independencia de datos Lenguajes de bases de datos Modelos de datos Claves Estructura global del sistema 15.02. Modelo relacional 15.03. Álgebra relacional 15.04. Lenguaje de consulta SQL 15.05. Normalización de la base de datos Primera forma normal Segunda forma normal Tercera forma normal Conclusión Excepciones 15.06. Modelo orientado a objetos PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 00 ----------------- 14

16.

ALGORITMOS Y ESTRUCTURAS DE DATOS

16.01. Conceptos generales 16.02. Algoritmo 16.03. Algoritmo recursivo Algoritmo divide y vencerás Algoritmo con retroceso o backtracking Aplicaciones 16.04. Análisis de algoritmo 16.05. Estructura de datos TAD 16.06. TAD lista Concepto Implementación 16.07. TAD pila Concepto 16.08. TAD cola Concepto Implementación Implantación de TAD lista, pila y cola 16.09. TAD polinomio Concepto 16.10. TAD tabla de dispersión Concepto Implementación Otras consideraciones 16.11. TAD árbol Concepto Implementación

BC.

BIBLIOGRAFÍA Y CUESTIONARIO

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01.INTRODUCCIÓN 01.01.Conceptos generales Los seres humanos se enfrentan a diario con operaciones repetitivas de distinta índole. Éstas pueden tener tanto un alto contenido intelectual cuanto manual.

Por ejemplo, puede tratarse de una liquidación de sueldos en la cual para cada empleado se realizan las mismas operaciones con distintos valores numéricos, o de colocar envases dentro de su embalaje en una línea de producción.

Así una y otra vez, indefinidamente.

Todos estos procesos tienen en común una serie de inconvenientes: lentitud, errores humanos, y lo que es peor, una clara tendencia al incremento de estas fallas a medida que aumenta el tiempo de trabajo, debido al cansancio físico y mental.

Si se trata de cálculos matemáticos, es indudable que existen algunas dificultades adicionales: . la imposibilidad de realizar operaciones de alta complejidad a una gran velocidad, como podría ser el cálculo de trayectoria de un satélite . el manejo de una cantidad muy grande de datos, como en un censo poblacional o el cómputo de los votos en una elección nacional Las computadoras proveen de una eficaz herramienta para la solución de estos problemas.

Antes de la década de los ‘90 esta facilidad no era accesible de manera masiva, pero con el avance científico y técnico se ha podido incorporar a la vida cotidiana ampliando su dinámica. En la actualidad existe una interacción entre las personas y el mundo a través de la computadora. Esto ha permitido extender su aplicación a actividades no sólo repetitivas o rutinarias circunscriptas a un entorno laboral o industrial a gran escala, sino también abarcar ámbitos diversos como lo social, educativo, recreativo o artístico.

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Diferencia entre calculadora y computadora Una CALCULADORA permite realizar operaciones matemáticas de relativa complejidad. Sin embargo para realizar cada paso, necesita de una persona que la haga trabajar, o sea, requiere de la intervención humana para indicar cada operación.

Por lo tanto, no soluciona algunos de los problemas anteriormente planteados, como por ejemplo, el repetir reiteradamente el mismo proceso.

La calculadora no se equivoca al realizar las operaciones matemáticas, pero el operador puede errar al teclear esos valores.

Una COMPUTADORA es una máquina que, además de calcular, permite ejecutar todas las operaciones y tomar decisiones sin la intervención humana, mediante un programa interno que ella es capaz de comprender y ejecutar paso a paso.

Además, debe interactuar con el medio exterior con el objetivo de un adecuado intercambio de información con el usuario, aceptando sus órdenes y entregándole el resultado del trabajo.

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01.02.Concepto de instrucción y programa INSTRUCCIÓN: Orden elemental que indica a la computadora una operación a realizar.

Ejemplos conceptuales: Leer un dato en memoria principal.

Grabar un dato en memoria principal.

Mover indicando el dato u operando alojado en memoria central o UCP para dicha operación.

Sumar indicando los datos u operandos alojados en memoria central o UCP para dicha operación.

Comparar indicando los datos u operandos alojados en memoria central o UCP para dicha operación.

Ejemplos prácticos: -

Sumar 2 + 3.

-

Grabar el resultado en memoria principal.

-

Comparar si dicho resultado es mayor que cero.

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PROGRAMA: Secuencia de instrucciones destinadas a la realización de una tarea o solución de un problema específico.

Ejemplos: Para el cálculo de una liquidación de un empleado jornalizado o un juego electrónico, la computadora tiene programas asociados que le indican: . Escribir en la pantalla dándole color verde a su fondo . Escribir en la pantalla haciendo aparecer los botones de control en su parte superior . Escribir en la pantalla el texto junto a los botones de control indicando su aplicación . Escribir en la pantalla colocando los dibujos de los personajes del juego en su parte inferior . Esperar hasta leer desde el teclado o el ratón la opción del jugador sobre el personaje elegido . Leer y reconocer las teclas del teclado para que al pulsarlas, el personaje pueda moverse por la pantalla . Escribir en la pantalla dándole otra posición al personaje de acuerdo a lo indicado en el paso anterior . Indicar sucesivamente la secuencia de órdenes para que el cerebro de la computadora active los circuitos electrónicos necesarios hasta terminar el juego

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01.03.Estructura general de una computadora - Componentes Lo que caracteriza a una computadora es su capacidad de trabajar automáticamente, sin intervención del ser humano.

En realidad, su funcionamiento está controlado por programas que sí fueron realizados por el hombre, pero que están almacenados en el interior de la máquina, y que se van ejecutando instrucción por instrucción en forma ordenada desde el comienzo de una tarea hasta llegar a su fin.

El usuario lo único que debe hacer es solicitar el inicio de la ejecución del programa, y a partir de ese momento, la computadora realiza la tarea según la secuencia de instrucciones del programa.

Unidad central de proceso, UCP O CPU

La UNIDAD CENTRAL DE PROCESO, UCP o CPU es el componente de la computadora encargado de comprender y ejecutar un programa.

Al mencionar por primera vez el término programa, se le ha asociado la palabra interno. Por lo tanto debe disponerse de algún componente capaz de almacenar las instrucciones que se están ejecutando y los datos que éstas necesitan.

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Memoria central o principal La MEMORIA CENTRAL o PRINCIPAL es este componente, o sea, el lugar donde se almacenan las instrucciones que se están ejecutando, y los datos que éstas utilizan.

Periféricos de entrada/salida Se ha indicado que además de procesar, la computadora debe estar en condiciones de interactuar con el medio exterior.

Para ello, el hombre debe cumplir dos funciones fundamentales: . Introducir en la computadora los programas a ejecutar y los datos correspondientes. . Solicitar los datos resultantes de la ejecución de estos programas, ya sea por escrito o a través de imagen, gráfico, sonido u otro medio.

Este ingreso y obtención de información puede hacerse de muy diversas formas. Se denominan PERIFÉRICOS DE ENTRADA/SALIDA o E/S a los dispositivos encargados de esta actividad.

PERIFÉRICOS DE ENTRADA son por ejemplo: teclado, ratón o mouse, joystick, micrófono, lectora de tarjetas, lectora de código de barras, lápiz óptico, pantalla que reacciona al tacto, scanner, cámara.

PERIFÉRICOS DE SALIDA son por ejemplo: monitor o pantalla, impresora, graficador, parlante.

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De acuerdo a lo analizado hasta el momento, idea propuesta por von Neumann, un ESQUEMA BÁSICO de un sistema de procesamiento en condiciones de operar se representa de la siguiente manera:

MEMORIA

UNIDAD DE ENTRADA

UCP

UNIDAD DE SALIDA

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Dispositivos de almacenamiento masivo DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO MASIVO o MEMORIAS AUXILIARES son los lugares donde se alojan los programas y muchos de los resultados que ellos generan, mientras no son utilizados.

Son periféricos de entrada/salida.

Estos periféricos son necesarios para preservar los programas dado que, al apagarse la computadora, se pierde el contenido de la memoria principal.

Si no se contara con un dispositivo de almacenamiento masivo, cada vez que se desea ejecutar un programa, se lo debería ingresar al sistema a través del teclado.

Los principales dispositivos de almacenamiento masivo son: unidad de disco, disquetera, unidad de discos compactos, unidad de cinta magnética, tarjeta multimedia o MMC, tarjeta data traveller o DT, tarjeta digital o SD, dispositivo lapicera o pen drive.

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Controlador y canal Los distintos periféricos no están conectados directamente al cerebro de la computadora sino a través de otro componente.

Al existir mucha diversidad de dispositivos de entrada/salida, el CONTROLADOR es el componente encargado de conocer las características específicas del periférico asociado.

El CONTROLADOR actúa como nexo o intermediario entre los periféricos y la UCP. En los sistemas actuales, los controladores tampoco se conectan o dialogan en forma directa con la UCP. El intercambio de información queda a cargo de ciertos componentes inteligentes del sistema llamados CANALES, que son considerados también parte del sistema de entrada/salida. Éstos liberan a la UCP de la ejecución y control de los trabajos asociados con la entrada y salida.

Se los considera procesadores dedicados, esclavos o dependientes del procesador central de la computadora.

El PROGRAMA DE CANAL dirige su operatoria.

Un CANAL DE ENTRADA/SALIDA es un componente con capacidad de procesamiento autónomo que permite la transferencia directa de datos entre la memoria central y los dispositivos de entrada/salida.

L Í N E A S

memoria

O

UCP

L Í N E A S

B U S E S

D E

canal de e/s

O

B U S E S

D A T O S

controlador

D E

periférico

C O N T R O L

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Esquema global Un ESQUEMA GLOBAL de un sistema de procesamiento se representa a continuación:

UCP CONTROLADOR MEMORIA PRINCIPAL

C A N A L

CANAL

PERIFÉRICO CONTROLADOR

PERIFÉRICO

CONTROLADOR

PERIFÉRICO

. . .

. . .

PERIFÉRICO

PERIFÉRICO

PERIFÉRICO

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Conclusión

Una COMPUTADORA es un elemento capaz de leer instrucciones de la memoria central o principal, y ejecutarlas, efectuando operaciones sobre dicha memoria y sobre los periféricos.

En la actualidad existe una amplia variedad de computadoras de acuerdo a su utilidad.

En términos generales se puede mencionar la siguiente gama y su aplicación: -Computadora desechable: Tarjeta de papel con chip individual adosado a su interior, cumple una función elemental, como emitir sonido.

Corresponde al nivel más bajo de la escala.

-Computadora dedicada:

Incorporada a algún otro componente, permite controlar el funcionamiento de un elemento específico, por ejemplo, un reloj, aparato eléctrico o automóvil.

Se implementa como un microcontrolador o sea, una computadora dentro de un chip de un circuito integrado del tamaño de medio dedo pulgar. Sus miles de transistores abarcan procesador, memoria principal, temporizador o reloj, y todos los módulos de entrada/salida incluyendo controladores y canales. Tanto los bloques del cerebro como los recursos complementarios se conectan internamente a través de buses. Se comunican al exterior mediante patitas.

Se lo conoce como microcontrolador incrustado pues se introduce dentro del propio producto que gobierna.

-Computadora de juegos:

Máquina de videojuegos, tiene una capacidad gráfica especial pero un software limitado.

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-Computadora personal:

Computadora de escritorio o portátil, cuenta con varios megabytes de memoria, dispositivos de almacenamiento masivo medidos en gigabytes, sistema operativo relativamente complejo.

Puede operar como estación de trabajo.

Corresponde a lo que popularmente se conoce como computadora.

-Servidor:

Estación de trabajo mejorada, es utilizada como máquina que controla un conjunto de computadoras interconectadas.

Puede atender una red de área local y consultas por internet casi siempre dentro de una sola compañía.

Corresponde a computadora personal con mayor potencia de procesamiento, configurándose con múltiples procesadores.

-Minisupercomputadora:

Colección de estaciones de trabajo a distancia, colabora en la solución de un problema complejo científico o de ingeniería.

Este sistema es conocido como sistema NOW o redes de estaciones de trabajo, y COW o cúmulos de estaciones de trabajo.

-Macrocomputadora:

También denominada mainframe, su diseño se remonta a los años ’60.

De velocidad similar o superior a un servidor potente, suele tener mayor capacidad de entrada/salida y está equipada con granjas de discos.

Su filosofía apunta a que una sola computadora atienda múltiples usuarios en lugar de contar con muchas máquinas pequeñas.

Se utiliza en empresas de envergadura para atender sistemas a gran escala como por ejemplo un banco.

-Supercomputadora:

Con múltiples procesadores inconcebiblemente rápidos, es una máquina con procesamiento paralelo, similar al diseño COW, pero con componentes más veloces, numerosos y potentes.

Se emplea para resolver problemas que requieren cálculos en ciencia e ingeniería muy complejos aplicados a simulación y predicción.

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01.04.Concepto de hardware y software Se denomina HARDWARE, ferretería, al conjunto de componentes físicos de la computadora, como unidades de almacenamiento masivo, circuitos electrónicos, teclados, monitores, impresoras.

Son todos los elementos tangibles, o sea tienen un cuerpo físico, se pueden tocar.

Se denomina SOFTWARE, mercadería blanda o maleable, al conjunto de programas que hacen al funcionamiento de la computadora.

El software es el componente intelectual de la máquina, no tiene cuerpo físico, no se puede palpar.

Son los conjuntos de instrucciones que la máquina ejecuta para realizar su trabajo, y los datos lógicos con los que opera.

CLASIFICACIÓN DEL SOFTWARE

El software se clasifica en dos tipos:

Software de base Se trata de los programas proporcionados por el fabricante de los equipos, e incluye: sistemas operativos, lenguajes de programación, manejadores de base de datos, utilitarios de diversos tipos como procesadores de textos, diseñadores gráficos.

Software de usuario Está compuesto por los programas desarrollados en cada caso para la solución de un problema específico.

Por ejemplo, los programas que se encargan de controlar los libros vendidos y los que van quedando en existencia en una librería, los programas que usan las cajeras de los supermercados para registrar las ventas e imprimir los comprobantes, los programas de juegos.

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02.REPRESENTACIÓN DE DATOS 02.01.Introducción Cuando se habla de representación se hace referencia a una manera de reflejar una idea.

Ejemplos: Un árbol es un objeto que existe, pero el ser humano tiene diversas formas de representarlo: Gráfica, mediante un dibujo Oral, a través de una secuencia de sonidos; en idioma castellano mediante los fonemas correspondientes a las letras: a, r, b, o, l; en idioma inglés: t, r, e, e Escrita, mediante una secuencia de caracteres denominados letras; en idioma castellano: árbol; en idioma inglés: tree La cantidad tres: idea cantidad

representación humana forma hablada y escrita (palabra o número)

representación en computadora entero en coma fija

tres

0

0 0

0

0

0

1 1

tres 3

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En el caso de la representación escrita, cada idioma cuenta con un conjunto de signos que sirven para transmitir cualquier comunicación.

Una letra es un signo. El idioma español cuenta con las letras: a, b, c, ..., z.

Se llama alfabeto al conjunto de letras de una lengua.

Las letras no alcanzan por sí solas para representar todos los conceptos. Son muy pocas, entonces se combinan para formar la palabra.

Una palabra es un conjunto de sonidos articulados o caracteres combinados que expresan una idea.

Esos caracteres dispuestos en un cierto orden son las letras. Por ello: Una palabra es un conjunto de letras.

Las palabras no son suficientes para expresar todas las ideas. A su vez, se necesita combinarlas.

Una oración es un conjunto de palabras que expresan un concepto cabal.

De la misma manera, la computadora trabaja fundamentalmente con dos tipos de información: datos e instrucciones, y debe poder representarlas.

Para ello requiere dos signos distintos: 0, 1; así como la lengua escrita cuenta con las letras.

Cada signo se almacena en un BIT. Los bits se combinan formando un BYTE; así como la lengua escrita cuenta con las palabras.

Los bytes se combinan conformando una PALABRA; así como la lengua escrita cuenta con las oraciones.

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02.02.Definiciones básicas – Bit – Byte - Palabra Internamente una computadora sólo puede operar con información binaria, es decir, básicamente con “ceros” y “unos”.

Siendo que un sistema de procesamiento está compuesto por una gran variedad de elementos electromecánicos, la implantación de estos “ceros” y “unos” es muy diversa.

La única condición que debe cumplir un determinado elemento para ser portador de una información binaria es presentar dos estados estables, posibles de ser diferenciados y medidos.

Ejemplos de posibles elementos a utilizar para contener información binaria:

CONDENSADOR

.Un elemento luminoso, por ejemplo un diodo emisor de luz, capaz de estar encendido o apagado .Un condensador, que puede hallarse cargado o descargado .Un material magnético cuyas partículas pueden orientarse en uno de dos sentidos opuestos .Un circuito electrónico cuya salida puede hallarse en dos posibles niveles de tensión diferenciados, por ejemplo 5 voltios ó 0 voltios

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CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

Estas condiciones indicadas no siempre son fáciles de lograr dado que, en muchos casos, la operación de medir o leer la información alojada en un cierto componente, altera su contenido y es necesario adoptar precauciones para que el valor almacenado no se pierda.

En los párrafos siguientes se independiza del componente que eventualmente contenga la información, y para simplificar se trabaja exclusivamente con los valores numéricos 0 y 1.

BIT, Binary Digit, es la mínima unidad de información utilizable.

Sólo puede adoptar dos valores distintos, 0 y 1, o sea, es de carácter binario.

Indudablemente, esta cantidad de información es muy pobre. Sin embargo, la adecuada combinación de bits en estructuras más complejas, permite representar datos de todo tipo e instrucciones, y operar con ellos en forma muy simple.

BYTE es el conjunto formado por 8 bits tratados como una unidad.

PALABRA es un conjunto arbitrario de bytes, determinado por el fabricante del equipo, normalmente 2, 4 u 8 bytes en los procesadores actuales, cuya importancia como estructura se analiza en el capítulo siguiente.

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02.03.Noción de direccionamiento Cuando se envía una carta, se indica en el sobre la dirección del destinatario, lo cual permite al correo ubicar a esta persona en el mundo. Una posible dirección sería: Sr. José Hernández Artigas 17 7º Piso - Departamento 713 Colonia del Sacramento Uruguay Así como es posible representar los espacios habitados mediante un conjunto de casas, departamentos u oficinas perfectamente diferenciados, también se puede pensar la memoria central de una computadora como un conjunto muy grande de casilleros numerados correlativamente.

El número de cada casilla la identifica unívocamente; es su DIRECCIÓN. Como se observa al estudiar la memoria central y la operación de la UCP, para leer o acceder a una información en memoria, o para grabar o almacenar en ella, se debe especificar su dirección.

Tener en cuenta que al enviar una carta, el mínimo elemento al cual se accede es el del departamento o la casa.

Es inútil agregar por ejemplo, comedor o dormitorio, dado que el cartero no puede ingresar a estos componentes internos de la vivienda.

Existe por lo tanto, una mínima unidad que identifica un lugar habitado en el mundo.

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En la computadora, esta unidad mínima es el byte.

El BYTE es la MÍNIMA UNIDAD DIRECCIONABLE en una computadora.

Esto significa dos cosas: Primero, con cada byte de la memoria se debe tener asociada una dirección única.

Segundo, no debe existir dirección alguna asociada con estructuras inferiores al byte.

Algunos procesadores tienen instrucciones que permiten identificar un bit en particular. Sin embargo, se llega a este bit de forma indirecta, determinando el byte en el cual está contenido, accediendo al mismo y luego operando sobre ese bit específico.

En este contexto la definición de PALABRA no es arbitraria, dado que esta estructura debe cumplir una condición fundamental. Debe ser DIRECCIONABLE. Para ello, el fabricante provee la tecnología de hardware necesaria para poder leer y grabar información en la memoria a nivel de palabra.

La longitud de la palabra suele servir de caracterización para un procesador.

Se dice que una computadora es de 16 bits cuando su palabra tiene 2 bytes.

De igual forma, un procesador de 32 bits, tiene una palabra de 4 bytes. En la computadora VAX este conjunto se llama doble palabra, palabra larga o long word.

Con el mismo criterio, una estructura de 64 bits se denomina cuádruple palabra.

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En resumen, se define: El bit es la MÍNIMA UNIDAD DE INFORMACIÓN EN UNA COMPUTADORA. El byte es LA MÍNIMA UNIDAD DE INFORMACIÓN DIRECCIONABLE. La palabra es un conjunto arbitrario de bytes DIRECCIONABLE como una unidad.

Los bytes se representan de la siguiente forma: 7

6

5

4

3

2

1

0 n

Se identifican en la parte superior los bits que resultan relevantes en el contexto de que se trate, y a la derecha o al pie se indica la dirección asociada al byte, en este caso, n.

En un byte, los bits se numeran en orden creciente de derecha a izquierda, comenzando siempre con cero.

El bit 0 se denomina bit menos significativo, y el bit 7 es el bit más significativo.

02.04.Contenido de información Cuando se habla de CONTENIDO DE INFORMACIÓN de una cierta estructura, significa simplemente la cantidad de valores distintos que pueden ser representados por dicha estructura.

Todo se reduce entonces, a la siguiente pregunta: ¿Qué cantidad de valores distintos pueden ser representados con n bits?

El siguiente diagrama ayuda a entender:

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1 0

1 bit:

2 valores distintos 2=2 21 = 2

2 bits:

4 valores distintos 2*2=4 22 = 4

3 bits:

8 valores distintos 2*2*2=8 23 = 8

00 11 10 01

000 111 100 110 001 011 101 010 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 40

En general, la cantidad de valores distintos se obtiene multiplicando 2 por 2, tantas veces como sea la cantidad de bits.

Formalmente la respuesta es, las Variaciones con Repetición de dos elementos, 0 y 1, tomados de a n, lo cual está dado por el valor de la función V(2,n) = 2n.

Con 1 bit se puede representar Con 8 bits se puede representar

21 28

= =

2 valores distintos, 0 y 1 256 valores distintos

El sentido que tengan estas cifras depende del contexto en que se las analice; pueden ser por ejemplo 256 números distintos, o 256 caracteres distintos, o 256 instrucciones distintas.

En un principio cuando las computadoras eran más costosas, se trabajaba con menos elementos, y por ello esta cantidad de valores era más que suficiente para representar todas las letras, los números, los caracteres especiales y los códigos necesarios para el uso que se le daba a la máquina.

Actualmente la casi totalidad de las computadoras personales se basan en una arquitectura de 32 bits; mientras que los ordenadores de alto rango o grandes sistemas informáticos y casi todos los miniordenadores se basan en una arquitectura de 64 bits.

Con 32 bits se pueden representar 232 Con 64 bits se pueden representar 264

= =

4.294.967.296 valores distintos 18.446.744.073.709.551.616 valores distintos

Es fácil comprobar que estas cifras son difíciles de recordar y de operar.

Además, en la mayoría de los casos, interesa más el ORDEN DE MAGNITUD que el valor exacto.

Por ello se definen las siguientes unidades: 10

1 Kilobyte (Kb):

1024 bytes

=

2 bytes

1 Megabyte (Mb):

1024 Kb

=

2 Kb =

1 Gigabyte (Gb):

1024 Mb

=

2 Mb =

1 Terabyte (Tb):

1024 Gb

=

2 Gb =

10 10 10

20

2 bytes 30

2 bytes 40

2 bytes

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 41

02.05.Representación de valores Hasta el momento sólo se ha referido a valores distintos respecto a la información, sin hacer mención alguna al sentido de estos valores. No se ha asociado a su semántica.

En lo que sigue, se analiza cómo asignando cierto significado a los distintos bits o grupo de bits, se pueden representar datos de diversos tipos.

Representación de valores numéricos A los efectos de este texto introductorio, se desarrolla la clasificación siguiente: . Valores enteros: Binaria sin signo:

Permite representar valores enteros no negativos o sea números naturales.

Almacena el valor como binario puro en un conjunto de bytes. n

Rango de representación: [0, 2 - 1].

Binaria con signo:

Permite representar valores enteros.

Almacena el valor absoluto como binario puro en (n - 1) bits.

El bit más significativo representa el signo, 0 positivo, 1 negativo. (n - 1)

Rango de representación: [-(2 El 0 tiene doble representación.

- 1), (2

(n - 1)

- 1)].

Binaria con signo en complemento a 1: Permite representar valores enteros.

Varía la representación según el signo del valor numérico: Positivo: N = binario puro en (n - 1) bits.

El bit de signo = 0.

Negativo:

n

-N = (2 - 1 - N), siendo N el valor absoluto del número.

Es el complemento a 1 del valor absoluto representado.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 42

Al valor absoluto se aplica la operación negación lógica.

El bit de signo = 1. (n - 1)

Rango de representación: [-(2 - 1), (2 El cero tiene doble representación.

(n - 1)

- 1)].

Binaria con signo en complemento a 2: Permite representar valores enteros.

Varía la representación según el signo del valor numérico: Positivo: N = binario puro en (n - 1) bits.

El bit de signo = 0.

Negativo:

n

-N = (2 - N), siendo N el valor absoluto del número.

Es el complemento a 2 del valor absoluto representado.

A la negación lógica del valor absoluto se suma 1.

El bit de signo = 1. (n - 1)

(n - 1)

Rango de representación: [-(2 ), (2 - 1)].

Facilita la operación resta, convirtiéndola en suma. (n - 1)

Binaria con signo en exceso Z o 2 : Permite representar valores enteros. (n - 1)

N = (2 + N’), siendo N’ = entera binaria con signo en complemento a 2.

Varía la representación según el signo del valor numérico: (n - 1)

Positivo:

N = (2 + N).

El bit de signo = 1.

Negativo:

-N = (2 + (2 - N)).

El bit de signo = 0.

(n - 1)

(n - 1)

n

(n - 1)

Rango de representación: [-(2 ), (2 - 1)].

Facilita la operación comparación lógica al respetar físicamente el orden de la magnitud almacenada en forma creciente de significación.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 43

Decimal empaquetado: Almacena dos dígitos decimales por byte, en representación binaria pura. . Valores reales: Punto flotante: Genéricamente, el número se expresa Mantisa:

=

mantisa * base exponente

Contiene los dígitos significativos del número.

Mantisa fraccionaria normalizada es aquella cuya parte entera es 0, y el dígito más significativo de la fracción es distinto de 0.

Exponente:

Indica el factor de escala, como una potencia de la base b.

En la práctica, la base a la que se eleva el exponente es la base en la que se representa la mantisa. De esta manera, el exponente indica directamente el número de dígitos o posiciones que debe correrse la coma de la mantisa.

Ejemplo: Base 10: Base 02:

5 101

= 5 * 100 = 101 * 20

= 0,05 * 102 = 0,5 * 101 = 0,0101 * 24 = 0,101 * 23

Nota: En ambos casos, las dos últimas mantisas son normalizadas.

Formato:

De acuerdo a la capacidad puede ser: Simple precisión Doble precisión

= 4 bytes de longitud = 8 bytes de longitud

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 44

La representación estándar IEEE 754 desglosa los campos siguientes: Signo: Un bit, el más significativo, asociado al signo de la mantisa.

Exponente: Representación: Entero en notación exceso Z o 2(n - 1).

Se almacena en 8 u 11 bits después del signo, dependiendo de su precisión.

Mantisa: Fraccionaria normalizada y almacenada en valor absoluto.

Se almacena en el resto de los bits después del exponente.

El dígito más significativo corresponde al de más a la izquierda.

Se completa con ceros a derecha.

Almacenamiento: Con o sin bit escondido o hidden bit.

Siendo que el bit más significativo siempre toma valor 1 se lo denomina escondido, y puede ser implícito o no. m

127

Máximo valor absoluto en simple precisión: (1 - (1 / 2) ) * 2 Los m bits de la mantisa toman valor 1 y el exponente 127 en base 2.

El valor máximo de mantisa tiende a 1.

-127

-128

Mínimo valor absoluto en simple precisión: (1 / 2) * 2 =2 El valor mínimo de mantisa es (1 / 2).

Se produce un salto entre el mínimo y 0.

Rango aproximado en simple precisión en valor absoluto: [(2

-128

), (2

127

)].

Representación de 0 en simple precisión: No exacto por mantisa normalizada.

-128

Por convención, adopta valor aproximado: (1 / 2) * 2 .

El exponente más pequeño, -128, representa el 0.

En notación con bit escondido, todos los bits de la estructura son 0.

Rango del exponente en simple precisión: [-127, 127].

Queda restringido, el mínimo negativo se anula.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 45

Representación de valores alfanuméricos Permite almacenar caracteres alfabéticos y operar sobre ellos, por ejemplo ordenarlos, así como ciertos símbolos especiales que posibilitan realizar gráficos en una impresora, controlar el proceso de impresión, establecer la comunicación entre dos sistemas informáticos y múltiples aplicaciones más.

Tipo de caracteres: Imprimibles, corresponden a los que se visualizan.

No imprimibles, corresponden a los de control de impresión o comunicación.

Estos caracteres se agrupan bajo la denominación genérica de alfanuméricos.

El sistema sólo es capaz de reconocer estructuras binarias. Por ello, es necesario definir un código que asigne un patrón binario a cada carácter existente, almacenándolo en un byte.

Este patrón binario corresponde a una secuencia binaria prefijada.

Esto significa que cuando el usuario pulsa una tecla en el teclado, y la computadora lee este carácter, ésta se convierte a una secuencia binaria preestablecida, alojada en un byte.

Un procedimiento similar se produce cuando el contenido de este byte se imprime.

El procesador envía la orden de grabación al periférico con el dato almacenado en dicha representación, y la impresora edita el símbolo asociado a dicha codificación.

Existen dos códigos utilizados en los sistemas de computación: CÓDIGO ASCII

o American Standard Code for Information Interchange

CÓDIGO EBCDIC

o Extended Binary Coded Decimal Interchange Code

Dado que ambos conjuntos de caracteres no pueden coexistir en el mismo instante, los equipos proveen la opción de utilizar alternadamente uno u otro.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 46

Representación de valores lógicos Corresponde a los valores aplicados a las funciones lógicas:

OR AND XOR NOT

u o u o

O Y O EXCLUSIVO NO

Estas funciones utilizan argumentos enteros aplicándose bit a bit a las representaciones binarias internas de los mismos.

02.06.Álgebra de Boole El álgebra de Boole opera con valores binarios y se originó en los trabajos de George Boole (1815-1864), contemporáneo de Charles Babbage.

Es muy útil en el área de las computadoras. Éstas, por ser digitales y binarias, manejan valores discretos, o sea no continuos, y están basados en una aritmética de base 2.

Se aplica para diseñar los circuitos de combinación que las computadoras utilizan, mediante sus modelos aritmético, lógico, circuital o electrónico, y de conjuntos, permitiendo la construcción de programas y circuitos lógicos del hardware.

Como toda álgebra, parte de un conjunto de axiomas.

Sea un conjunto G = {0, 1, a, b, c, ...} donde se distinguen dos elementos distintos, 0 y 1, neutros de las dos operaciones binarias suma y producto.

Un álgebra booleana es un conjunto G con dos operaciones binarias que satisfacen las propiedades siguientes: -

Asociativa:

(a + b) + c = a + (b + c) (a * b) * c = a * (b * c)

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 47

-

Conmutativa:

a+b=b+a a*b=b*a

-

Distributiva:

a * (b + c) = a * b + a * c a + (b * c) = (a + b) * (a + c)

-

Existencia de neutros:

-

Existencia de complemento: Para todo a perteneciente a G existe un a’ perteneciente a G tal que: a + a’ = 1 a * a’ = 0

Para todo a perteneciente a G: a+0=a a*1=a

Teoremas iniciales: -

Dualidad en los axiomas:

Toda deducción de los postulados se verifica si se cambia: El elemento 0 por 1 La operación + por * recíprocamente

-

Acotamiento o neutros cruzados:

a+1=1 a*0=0

-

Complemento de complemento:

a = a’’

-

Idempotencia:

a+a=a a*a=a

-

De Morgan:

Para todo par de elementos de G se cumple que: (a + b)’ = a’ + b’ (a * b)’ = a’ * b’

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 48

El modelo aritmético se cumple si el conjunto G se forma solamente con los elementos 0 y 1.

El modelo lógico sigue las reglas descriptas, ya que los valores que pueden asignarse a un juicio desde el punto de vista lógico son dos, verdadero o 1, y falso o 0.

Dos juicios pueden encadenarse para formar un tercero mediante los operadores OR y AND. Mientras que el primero reemplaza a la operación suma, el segundo corresponde al producto.

El modelo circuital o electrónico también se rige por las mismas tablas de las operaciones suma y producto del modelo aritmético.

Sólo hay que considerar una llave eléctrica o electrónica, y representar los dos posibles estados o elementos. Se asigna valor 0 a la llave abierta o sin conducción, y 1 a la llave cerrada.

Este modelo es isomorfo con el aritmético si se reemplaza 0 por OFF, y 1 por ON. En cuanto a las operaciones, una posibilidad es que dos llaves se encuentren en paralelo correspondiéndose con la suma, o en serie que operan como el producto.

Por último, el modelo de conjuntos cumple los axiomas del álgebra de Boole pero con más elementos.

Sea c un elemento cualquiera, se llama G al conjunto de sus partes.

G contiene por lo menos dos elementos, el conjunto vacío y el propio conjunto c.

Se debe tomar la operación unión en lugar del operador suma, e intersección en lugar del producto.

Se logra la siguiente correspondencia: 0 o vacío, 1 o c, suma o unión, producto o intersección.

Los diagramas o mapas de Karnaugh son un medio gráfico para representar expresiones booleanas de forma tal que la manera en que pueden ser simplificadas resulta gráficamente aparente.

Puede visualizarse como una representación gráfica de una tabla de verdad o una extensión de los diagramas de Venn.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 49

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 02 ----------------- 50

03.MEMORIAS – CARACTERÍSTICAS GENERALES 03.01.Concepto Una computadora requiere gran cantidad de información para su funcionamiento.

Esta información es de dos tipos: instrucciones y datos, y debe ser conservada en algún componente que permita el acceso a la misma en el momento en que se la necesite.

El medio de almacenamiento se denomina en forma genérica MEMORIA. Si bien en ambos casos sus funciones son básicamente las mismas, se distinguen dos tipos de memorias:

Memoria central o principal Las instrucciones y datos que la computadora está utilizando en un determinado momento, se encuentran en un conjunto de posiciones numeradas, la MEMORIA CENTRAL O PRINCIPAL. Cada uno de los números identifica una posición única y se denomina DIRECCIÓN DE MEMORIA, mientras que el valor guardado en cada posición se llama CONTENIDO de la misma.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 51

Memoria auxiliar o dispositivo de almacenamiento masivo Mientras no están siendo procesados, los datos y programas son almacenados en unidades de almacenamiento masivo, tales como disco, disquete, disco compacto o cinta magnética.

Para que una información pueda ser procesada por la computadora, la misma debe necesariamente encontrarse en la memoria central; esto implica un intenso intercambio entre ésta y las memorias auxiliares, actividad de fundamental importancia en la operación del sistema.

Un buen ejemplo de esto es lo que sucede cuando la UCP carga en la memoria una aplicación, sea un procesador de textos o programa de edición, permitiendo así que se ejecute. En términos prácticos, esto significa que el cerebro de la computadora puede realizar el trabajo solicitado, puesto que las instrucciones ya no están alojadas en un dispositivo sino a su disposición en la memoria.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 52

Diferencia entre memoria y almacenamiento Muchas veces se confunden los términos memoria y almacenamiento, especialmente cuando se trata de la capacidad que tiene cada uno.

MEMORIA significa la memoria principal instalada en la computadora, mientras que ALMACENAMIENTO hace referencia a los dispositivos de almacenamiento masivo.

Para aclarar los conceptos, se puede comparar la computadora con una oficina que tiene una mesa de trabajo y varios archiveros.

La mesa de trabajo representa la memoria, la cual ofrece un acceso rápido y directo a la información con la que se está trabajando en un momento determinado.

Los archiveros representan el almacenamiento de la computadora mediante los dispositivos de almacenamiento masivo.

Como sucede con frecuencia, la mesa de trabajo es más pequeña que los archiveros y además es compartida por diversos compañeros en distintos horarios de trabajo. Por eso, cuando finaliza la tarea, se debe guardar los elementos utilizados para dejar el espacio disponible a otra persona. De no ordenar, cuando se produce el intercambio de empleados o se realiza la limpieza del lugar, este contenido ubicado sobre el pupitre se retira, pudiendo colocarse en un sitio incorrecto o desconocido para el usuario, perderse y hasta tirarse.

Una situación similar ocurre entre la memoria y el almacenamiento.

La información alojada en los dispositivos de almacenamiento masivo es no volátil, o sea, permanece intacta cuando se apaga la computadora.

En cambio, el contenido de la memoria principal es volátil, se pierde cuando se apaga o corta el suministro de energía.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 53

Por eso, cuando se trabaja con una computadora, el usuario debe resguardar o salvar la información asociada con frecuencia, o sea, transferirla de la memoria al almacenamiento, pues la memoria no conserva en forma permanente las modificaciones introducidas en el documento.

Si por cualquier razón se interrumpe la operación de la computadora, por ejemplo, debido a un corte de luz, a un error del sistema, o si la máquina se apaga, se pierden todas las actualizaciones que no hayan sido grabadas previamente en algún dispositivo de almacenamiento masivo.

03.02.Parámetros que caracterizan a las memorias Ya se ha mencionado una diferencia fundamental entre la memoria principal y las auxiliares, su uso.

En este aspecto, se remarca que toda información a ser procesada por la computadora ha de encontrarse en la memoria central, mientras que las auxiliares se emplean para el almacenamiento de programas y datos para una utilización futura.

A continuación se analizan otros tres parámetros que distinguen típicamente a las memorias: TIEMPO DE ACCESO Y MODO DE ACCESO CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO TIPO DE ACCESO

03.03.Tiempo de acceso y modo de acceso Se denomina TIEMPO DE ACCESO A MEMORIA al intervalo requerido para grabar/almacenar o leer/recuperar una información en la misma.

Los tiempos de acceso a programas y datos almacenados en memorias auxiliares pueden medirse en milisegundos.

Por el contrario, la información contenida en la memoria principal se accede en menos de un microsegundo, pudiendo medirse en nanosegundos.

Esto se debe al hecho de que la información almacenada en la memoria central puede ser accedida directamente por el procesador, mientras que la que se encuentra en dispositivos externos debe ser traída al cerebro de la computadora antes de ser utilizada.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 54

Por otra parte, un dato ubicado en cualquier posición de la memoria principal puede ser accedido en el mismo tiempo, lo cual no es cierto para las memorias auxiliares, puesto que los modos de acceso difieren.

El MODO DE ACCESO es el método que aplica la memoria para acceder a una determinada posición.

Se pueden diferenciar cuatro modos básicos: -Acceso aleatorio:

Cualquier posición de la memoria se accede en orden azaroso y el tiempo de esta operación es independiente de la ubicación.

Corresponde al tipo de memoria RAM o memoria de acceso aleatorio, por ejemplo, la memoria principal.

-Acceso secuencial: La información se accede de forma secuencial, una a continuación de otra dependiendo de su posición, que a su vez influye en el tiempo de acceso.

La memoria que opera con este método recibe el nombre de SAM o memoria de acceso secuencial, por ejemplo, la cinta magnética.

-Acceso directo:

Para ubicar un determinado dato se indica el bloque al que pertenece y luego se busca secuencialmente dentro de esta estructura, haciendo que el tiempo de acceso dependa de la dirección que ocupa.

El disco magnético es un ejemplo de memoria con este modo de acceso.

-Acceso asociativo:

Este método es aleatorio pero el acceso se realiza proporcionando el valor de un campo de posición o sea, se accede por contenido, no por dirección.

Las posiciones de este tipo de memoria constan de dos campos: clave o etiqueta, y dato. Para buscar un elemento se indica un valor que se compara con los almacenados en las etiquetas. Si una posición contiene una clave cuyo valor es el mismo que el dado, se obtiene, como resultado de salida, el campo dato asociado a esa posición. Todas las comparaciones con las etiquetas de esta memoria se efectúan en paralelo, lográndose un tiempo de acceso muy reducido.

La memoria que trabaja con este mecanismo se la denomina CAM o memoria de acceso por contenido, por ejemplo, la memoria caché.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 55

03.04.Capacidad de almacenamiento Teóricamente no existe límite para la capacidad máxima de la memoria principal; con sólo 32 bits se identifican nada menos que 232 posiciones distintas.

Sin embargo, la tecnología disponible ha limitado siempre la posibilidad de ampliación de esta unidad más allá de cierto valor.

Esta tecnología, así como las filosofías de diseños de las computadoras en general y de las memorias en particular, han progresado en forma sorprendente; pese a este avance el límite sigue existiendo y aunque hoy es notablemente mayor que hace una década, pero menor que dentro de otra seguramente, por lógica no desaparecerá en la práctica, dado que una memoria es siempre finita.

Cuando se analiza cuánta memoria principal es necesaria, debe sopesarse qué aplicaciones van a procesarse normalmente. La cantidad correcta de memoria varía de acuerdo al equipo, el tipo de trabajo que se realice y los sistemas que se utilicen.

En el caso de computadoras personales popularmente denominadas pc, si únicamente opera con editores de texto, hojas de cálculo y similares, bastan unos 32 Mb de ésta, aunque la cifra ha quedado bastante corta.

Si se trabaja con multimedia, arte gráfico, fotografía, vídeo, diseño asistido, diagramación de libros, cine, por ejemplo, se ha de contar con la máxima cantidad de memoria central en el equipo, 128, 256, 512 Mb o mucho más, para que su funcionamiento sea óptimo, ya que estos sistemas son auténticos devoradores de memoria.

Hoy en día la capacidad de la memoria principal ha comenzado a medirse en Gb si se desea un buen funcionamiento, tanto de cualquier sistema operativo como de las aplicaciones normales, para garantizar rapidez y rendimiento.

Tener en cuenta que las magnitudes indicadas para tiempo y capacidad son parciales ya que los avances tecnológicos hacen variar esta información con frecuencia.

Además sólo están referidas a un entorno reducido como es el caso de las computadoras personales.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 56

Tal vez se haya experimentado lo inconveniente que es trabajar con una computadora personal que carece de suficiente memoria, escuchando un golpeteo en el disco y esperando un tiempo prolongado hasta que finaliza la operación solicitada.

Esto es debido a la cantidad de transferencia de entrada/salida que realiza para liberar espacio de memoria principal, intercambiando información hacia algún dispositivo de almacenamiento masivo asignado para tal operatoria.

Por otra parte, si se cuenta con suficiente memoria, se pueden ejecutar varias tareas a la vez, como imprimir un documento mientras se trabaja con otro, y es posible mantener varias aplicaciones abiertas simultáneamente.

De acuerdo a lo visto hasta ahora se verifica:

MEMORIA CENTRAL:

Mayor velocidad de acceso y menor capacidad de almacenamiento

MEMORIA AUXILIAR:

Menor velocidad de acceso y mayor capacidad de almacenamiento

Lo que quizás no cambie es el concepto de que todo aquello que debe ser procesado por la computadora en cada instante debe encontrarse en la memoria central.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 57

03.05.Tipo de acceso Según el tipo de acceso al almacenamiento de datos por parte del usuario, se distinguen dos clases de memoria: RAM Random Access Memory = Memoria de acceso al azar o aleatorio ROM Read Only Memory = Memoria de sólo lectura La memoria RAM es una memoria de acceso aleatorio. Esto significa que una palabra o byte se puede encontrar de forma directa, sin tener en cuenta los bytes almacenados antes o después de dicha palabra, a diferencia de las memorias en cinta magnética que requieren de un acceso secuencial.

Además, la RAM permite el acceso para lectura y escritura de información.

Se clasifica en DRAM o RAM dinámica, y SRAM o RAM estática. En el primer caso, su organización es matricial, o sea, para localizar una celda se debe proporcionar la dirección de fila y columna. Por el contrario, la celda de la segunda se compone de un flip-flop construido mediante transistores bipolares.

La memoria ROM es también una memoria de acceso aleatorio. Pero sólo permite el acceso para lectura de la información que almacena. Contiene información grabada previamente por el fabricante y, en general, no son modificadas por el usuario.

Puede ser ROM o ROM con máscara, PROM o ROM programable, EPROM o ROM borrable, EEPROM o ROM borrable eléctricamente y FLASH. Estas dos últimas admiten ser modificadas por el usuario mediante impulsos eléctricos.

03.06.Concepto de firmware Hasta el momento se ha analizado dos conceptos totalmente diferenciados, hardware y software.

La aparición de las memorias ROM hace variar sustancialmente esta clasificación. Un componente que es esencialmente un conjunto de circuitos electrónicos, no puede sino ser considerado hardware. Si la función de un componente es la de un programa, escrito en formas indeleble, incluye la noción de software.

Se denomina FIRMWARE al software especial no volátil contenido físicamente en un componente esencialmente de hardware.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 58

03.07.Distintas tecnologías en memorias Si bien existen en estos momentos distintos desarrollos, se pueden mencionar: Memorias de núcleos magnéticos Memorias de semiconductores: Memorias dinámicas, MOS o metal oxide semiconductors Memorias estáticas o bipolares Las memorias de semiconductores son volátiles.

El componente básico de las memorias dinámicas es un capacitor o condensador cuyo funcionamiento puede asimilarse al de la batería de un automóvil. El circuito elemental, capaz de almacenar un bit de información, se denomina celda capacitiva. Dado que los capacitores pierden su carga con el tiempo, se necesita un mecanismo para mantener un nivel adecuado de carga denominado refresco.

Las memorias bipolares tienen un componente elemental denominado flip-flop o FF. Es un circuito de dos entradas y dos salidas, aunque estas últimas son sólo distintas expresiones de la misma cosa. En efecto, la salida es una, y la otra es su negación o complemento lógico. Aunque parezca absurdo contar con esta salida redundante, su importancia en el uso práctico es fundamental.

Una entrada se denomina S o set, y la otra R o reset.

Un 1 lógico en la entrada S, hace que la salida Q tome valor 1, y –Q sea 0. Se dice que se ha seteado el bit. En realidad se ha grabado un 1 en dicho bit que no se borra al desaparecer la entrada de S, pero sí al quitarse la alimentación del circuito. Un 1 lógico en la entrada R, hace que la salida Q tome valor 0, y –Q sea 1. En este caso, se ha grabado un 0, se ha reseteado el bit.

No puede haber pulsos en ambas entradas S y R simultáneamente. Los pulsos de entrada S o R vuelcan las salidas en forma casi instantánea y permanecen invariables hasta la aparición de un pulso opuesto.

Brindan gran facilidad para transferir información entre sí. Sólo hay que aplicar la operación lógica AND en forma de orden de transferencia, entre la salida de un FF y la entrada del otro.

Orden de transferencia AND s r

q -q

s r

q -q

s r

q -q

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 59

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 03 ----------------- 60

04.MEMORIAS – ESTRUCTURA Y OPERACIÓN 04.01.Bus: concepto y clasificación Un BUS es un conjunto de conductores eléctricos que transportan información entre los distintos componentes del sistema.

De acuerdo al tipo de información que transporte el BUS, se clasifica en: BUS DE DATOS BUS DE DIRECCIONES BUS DE ÓRDENES Y SEÑALES DE CONTROL En un sistema con canales de entrada/salida, los buses se utilizan de interconexión directa entre los distintos periféricos y la memoria central.

Sin embargo, aún en sistemas sin canales, ciertos dispositivos de alta velocidad, como discos, cintas magnéticas, convertidores analógico digitales, se conectan con la memoria principal de igual manera, a través de un bus especial denominado DMA o acceso directo a memoria, que elimina la intervención del procesador en la transferencia entre ambos.

04.02.Bit de paridad Al intercambiar información es fundamental garantizar que el destinatario reciba correctamente lo enviado por el emisor.

Para lograr este propósito, existen muchos métodos, algunos tan sofisticados que no sólo permiten detectar que se ha producido un error en la transmisión sino también identificarlo y hasta corregirlo.

Una técnica simple es empleando un bit de paridad.

Este bit es calculado por el emisor, se transmite junto con la información y lo controla el receptor.

Si se detecta una diferencia, se considera que hubo un error en la transferencia.

La paridad puede ser par o impar.

El valor del bit de paridad se determina de modo que la cantidad de bits en 1 de la transmisión, incluido el de paridad, sea par o impar de acuerdo al tipo que paridad que se aplique.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 04 ----------------- 61

04.03.Memoria principal: componentes ALMACENAMIENTO La información se guarda en este componente.

Este elemento puede imaginarse como un conjunto de casillas numeradas.

En cada casilla se almacena una palabra de información.

Los casilleros se denominan posiciones de memoria.

Se organizan en forma de matriz de modo que cada uno puede identificarse por un par de coordenadas x, y.

A esta configuración se la llama plano de bits.

CIRCUITOS DE HABILITACIÓN Este componente controla la transferencia de los datos.

De acuerdo a la operación, genera la señal correspondiente: Habilitación de lectura Habilitación de grabación DECODIFICADORES DE DIRECCIÓN Este circuito provee una señal de salida de acuerdo al valor recibido en la entrada, identificando la casilla a la que se debe acceder.

El valor recibido corresponde a la dirección dentro del almacenamiento.

Para cada combinación de bits de la entrada, emite una señal en una sola de las posibles salidas, la asociada a la casilla de dicha dirección.

Existe un decodificador para cada coordenada.

REGISTRO DE ENTRADA/SALIDA Es un conjunto de flip-flops.

Sirve de colchón entre la memoria y la UCP o los periféricos.

El almacenamiento se comunica con el exterior mediante este componente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 04 ----------------- 62

Registro de Dirección

BUS DE D I R E C C I O N E S

Registro de Datos UCP

BUS DE D A T O S

CIRCUITOS DE CONTROL

CIRCUITOS DE HABILITACIÓN lectura

DECODIFICADORES DE DIRECCIÓN

x y

grabación

ALMACENAMIENTO

REGISTRO DE ENTRADA/SALIDA

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 04 ----------------- 63

04.04.Ciclo de lectura 1.

La UCP: 1.1.

Habilita la entrada del Registro de Datos.

1.2.

Carga en el Registro de Dirección la identificación de la posición de memoria a ser leída.

1.3.

Emite la orden de lectura a la memoria.

2.

2.1.

2.2.

La dirección es transferida a los Decodificadores de Dirección.

Esto se realiza a través del Bus de Direcciones.

Los Decodificadores de Dirección generan las señales de localización del dato.

Nota: La dirección original se separa en dos partes, la primera asociada a la coordenada x, y la otra a y, cada una alimentando la entrada del decodificador correspondiente.

3.

3.1.

3.2.

3.3.

Los Circuitos de Control envían la orden de lectura hacia los Circuitos de Habilitación.

Los Circuitos de Habilitación producen la emisión de HABILITACIÓN DE LECTURA. El dato es transferido del Almacenamiento de la memoria al Registro de E/S.

4.

4.1.

El dato se transfiere al Registro de Datos de la UCP a través del Bus de Datos.

5.

5.1.

La memoria envía a la UCP la señal de DONE. Esto indica que la operación ha sido realizada satisfactoriamente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 04 ----------------- 64

04.05.Ciclo de grabación 1.

La UCP: 1.1.

Carga o mueve el dato al Registro de Datos.

1.2.

Carga en el Registro de Dirección la identificación de la posición de memoria a grabar.

1.3.

Emite la orden de grabación a la memoria.

2.

2.1.

2.2.

La dirección es transferida a los Decodificadores de Dirección.

Esto se realiza a través del Bus de Direcciones.

Los Decodificadores de Dirección generan las señales de localización del dato.

Nota: La dirección original se separa en dos partes, la primera asociada a la coordenada x, y la otra a y, cada una alimentando la entrada del decodificador correspondiente.

3.

3.1.

Simultáneamente el dato es transferido al Registro de E/S a través del Bus de Datos.

4.

4.1.

4.2.

4.3.

Los Circuitos de Control envían la orden de grabación hacia los Circuitos de Habilitación.

Los Circuitos de Habilitación producen la emisión de HABILITACIÓN DE GRABACIÓN. El dato es transferido del Registro de E/S al Almacenamiento de la memoria.

5.

5.1.

La memoria envía a la UCP la señal de DONE. Esto indica que la operación ha sido realizada satisfactoriamente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 04 ----------------- 65

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 04 ----------------- 66

05.UNIDAD CENTRAL DE PROCESO 05.01.Introducción – Concepto - Componentes Para que una solicitud de un usuario pueda ser resuelta por una computadora, es necesario la existencia de un programa almacenado en la memoria central.

Un programa es una secuencia de instrucciones que indican al cerebro de la computadora las operaciones a realizar y la ubicación de los datos correspondientes con los que debe operar.

Una vez que las instrucciones se encuentran en memoria, éstas pueden ser leídas y ejecutadas por la computadora.

La unidad responsable de realizar estas funciones es la UNIDAD CENTRAL DE PROCESO, UCP o CPU, integrada por dos componentes principales:

UNIDAD DE CONTROL o UC

UNIDAD ARITMÉTICA LÓGICA, UAL o ALU

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 67

Diagrama de la UNIDAD CENTRAL DE PROCESO:

UCP R.Di. R.P.I.

UNIDAD DE CONTROL

R.Da.

R.E.

R.I.

R.Pila

UNIDAD ARITMÉTICA LÓGICA

La UCP es fundamental para el funcionamiento del sistema informático dado que es la encargada de controlar las operaciones que involucran a todos los otros componentes de la computadora y realizar las operaciones aritméticas y lógicas requeridas por los programas en ejecución.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 68

05.02.Funciones de la unidad central de proceso La UNIDAD DE CONTROL coordina y dirige las actividades de todo el sistema de cómputos.

Sus funciones específicas son las siguientes: Localizar o ubicar, y leer las instrucciones de la memoria principal, una por vez respetando su secuencia Decodificar cada instrucción, y activar los circuitos electrónicos generando las señales de control necesarias para iniciar la acción Dirigir y controlar los movimientos o flujo de datos dentro de la UCP

Las funciones de la UNIDAD ARITMÉTICA LÓGICA se detallan a continuación: Efectuar todas las operaciones aritméticas involucradas en la ejecución de cada instrucción Realizar evaluaciones o tests lógicos . Comparar dos valores . Determinar el signo de un valor numérico

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 69

05.03.Estructura de instrucciones Las instrucciones deben indicar al procesador, en forma precisa y unívoca, la operación a realizar en cada momento.

Para ello, se necesitan dos informaciones fundamentales: Código de operación: Especifica la acción a ejecutarse, o sea lo que debe hacerse.

Operandos:

Indican los datos sobre los que hay que aplicar la operación especificada en el código de operación.

Se puede concebir tres clases de instrucciones: Sin operando: n-1

0 Código de operación

Con un operando: n-1

0

Código de operación

Operando

Con dos operandos: n-1 Código de operación

0 Operando 1

Operando 2

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 70

Sin operando:

Este tipo de instrucciones tienen todos sus bits disponibles para codificar la orden, no requieren de operandos explícitos para realizar la acción.

Ejemplo: HLT RET

Con un operando:

Finalizar la ejecución del proceso.

Retornar de subrutina.

Corresponden a instrucciones que necesitan un solo dato para ejecutarse o dos operandos tal que uno de ellos está implícito en el código de operación.

Ejemplo: JMP rótMem Bifurcar a la instrucción rótMem. ADI datSig Sumar al Acumulador el dato datSig. Requiere especificar un solo operando pues ADI significa sumar al Acumulador.

XRI datSig O exclusivo entre Acumulador y datSig. Requiere especificar un solo operando pues XRI incluye la referencia al operando Acumulador.

Con dos operandos: Especifican operaciones binarias de dos operandos explícitos.

Ejemplo: MVI rD datSig Transferir a registro rD el contenido de datSig. Se convierte a formato de un solo operando al ser traducida a lenguaje de máquina.

MOV rD rO Transferir a registro rD el contenido de rO. Se convierte a formato sin operando al ser traducida a lenguaje de máquina.

Existen procesadores con un set o juego de instrucciones que operan con más de dos operandos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 71

05.04.Registros - Concepto La UCP necesita ciertos lugares predeterminados dentro de su área de trabajo para su operatoria denominados REGISTROS. Los registros son elementos de almacenamiento de muy rápido acceso.

Están formados en general por circuitos bipolares, flip-flops o FF. Por estar directamente conectados entre sí, les permiten: Acceder rápido, de fundamental importancia para lograr altas velocidades de ejecución de las instrucciones ya que las transferencias entre ellos se efectúan a velocidades electrónicas.

Realizar sobre ellos operaciones muy importantes en tiempos extremadamente pequeños por hardware: Incrementar su contenido, o sea, sumarle 1.

Cambiar el estado lógico de sus salidas, o sea, donde hay 0 colocar 1, y viceversa.

En estas condiciones, la operación de complementar a 2, se reduce a invertir el estado de cada FF e incrementar el contenido del registro.

Desplazar su contenido una posición a la izquierda, o sea, multiplicar por 2.

Desplazar su contenido una posición a derecha, o sea, dividir por 2.

Borrar su contenido, o sea, poner en cero todas las salidas con una sola orden.

El tamaño y cantidad de los registros depende de su tipo de acuerdo a la función a realizar sobre ellos.

A continuación se analizan los registros fundamentales existentes en la UCP.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 72

05.05.Registros de Uso General o R.G. Son áreas de trabajo utilizadas por el usuario.

Para el programador es difícil concebir la programación sin el empleo y acceso a estos registros.

No tienen contenido prefijado, sino el que el usuario le asigne.

Están puestos a disposición del programador para que almacene datos a ser operados por el programa.

Normalmente su capacidad corresponde a la de una palabra.

La cantidad de Registros de Uso General depende de la filosofía de diseño del procesador.

En algunos equipos, el sistema operativo y los sistemas de aplicación comparten los mismos registros, en otros por el contrario, existe un juego completo para cada uno acelerando la operación global del sistema informático pero aumentando su costo.

En muchos equipos se suele identificar un R.G. en particular denominado ACUMULADOR.

05.06.Registros Internos o R.In. Son áreas de trabajo empleadas exclusivamente por el procesador para efectuar sus operaciones, los usuarios no tienen acceso a los mismos.

La cantidad y capacidad depende del diseño arquitectónico de la computadora, al igual que su contenido.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 73

05.07.Registro de Datos o R.Da. Este registro, llamado también Registro de Entrada/Salida de la UCP, es la puerta de entrada y salida de los datos del procesador hacia los otros componentes de la computadora.

Todo dato o instrucción que ingrese a la UCP, o salga de ella, lo hace a través de este registro.

Está físicamente conectado al Bus de Datos, por lo que también suele denominársele Data Latch o Picaporte del Bus de Datos.

Su capacidad es igual al ancho o capacidad del Bus de Datos, y depende del fabricante del sistema informático.

05.08.Registro de Dirección o R.Di. Contiene a cada instante de tiempo, la dirección de memoria que está siendo accedida, ya sea en lectura o grabación.

Esta dirección puede corresponder tanto a un dato como a una instrucción.

Existe un único R.Di. y su longitud depende de la capacidad de direccionamiento directo del procesador o de la memoria principal máxima que pueda aceptar la computadora.

Como ya se ha estudiado, el Registro de Dirección está conectado a los Decodificadores de Dirección de la memoria principal a través del Bus de Direcciones.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 74

05.09.Registro de Próxima Instrucción o R.P.I. El R.P.I. contiene a cada instante de tiempo la dirección de la próxima instrucción a ser ejecutada.

A pesar de su nombre un tanto confuso, debe quedar claro que el R.P.I. no contiene una instrucción sino una dirección.

El R.P.I. se incrementa automáticamente cada vez que una instrucción se lee desde memoria hacia el procesador. En consecuencia, contiene a partir de ese momento, la dirección de la siguiente instrucción en la secuencia normal del programa que se está ejecutando.

Por eso, este registro normalmente se denomina Program Counter o PC, o sea, Contador de Programa.

Existe un único R.P.I. y su tamaño depende de la capacidad de direccionamiento directo del procesador.

05.10.Registro Puntero de Pila o Stack Pointer Contiene la dirección de memoria principal de una estructura que agrupa datos en forma especial a fin de facilitar ciertas aplicaciones.

El concepto de la estructura pila es similar a su noción cotidiana, por ejemplo, una pila de libros, una pila de latas de conservas en un comercio, donde los elementos se colocan de abajo hacia arriba, pero se extraen de arriba hacia abajo, o sea, en orden inverso al que fueron ubicados.

Una pila o stack es un conjunto de posiciones sucesivas de memoria en las cuales se almacena información comenzando por la posición de dirección más alta.

Esta estructura se accede o llena en el sentido de las direcciones decrecientes.

El Puntero de Pila o Stack Pointer contiene en cada instante la dirección de la última posición ocupada en la pila, o sea, la dirección del último elemento accedido.

Dado que el Puntero de Pila contiene una dirección, su capacidad depende de la capacidad máxima de direccionamiento directo del procesador considerado.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 75

05.11.Registro de Instrucción o R.I. Contiene, en cada instante de tiempo, la instrucción que está siendo ejecutada por el procesador.

Esta área se encuentra directamente conectada al Decodificador de Instrucciones de la UCP, que es el encargado de reconocer su contenido y permitir su ejecución.

Por eso, esta área de trabajo donde la UCP recibe la instrucción es fija, es siempre la misma pues está en conexión con los circuitos electrónicos que posibilitan a la UCP analizar y activar la acción solicitada.

Existe un único R.I. y su longitud es normalmente de una palabra.

05.12.Registro de Estado o R.E. La UCP además de tener un área donde aloja la instrucción a ejecutar, el R.I., debe tener un área que guarde referencias sobre el entorno de trabajo, el Registro de Estado.

El Registro de Estado o Control es un conjunto de componentes independientes que pueden encontrarse en lugares muy distintos dentro del procesador. Sin embargo en su totalidad son tratados como un único componente lógico, como unidad.

Contiene información muy importante, la cual, ofrece una referencia precisa del estado o situación en que se encuentra el procesamiento del programa asociado en cada instante de tiempo.

Por sus características tan especiales, la estructura de este registro depende del diseño del procesador.

Se denomina PALABRA DE ESTADO, PROCESS STATUS WORD o PSW al contenido del Registro de Estado.

Los diversos componentes físicos del R.E. pueden hallarse dispersos por la UCP, pero en todos los casos, la PSW se trata siempre como una unidad lógica de información.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 76

Un ejemplo cotidiano sobre la necesidad de este tipo de información asociada a una actividad puede observarse en el manejo de un automóvil.

El conductor es el responsable de ir manejando y coordinando los distintos componentes, acelerador, freno, volante, palanca de cambio, para que el automóvil funcione.

Si esta persona no hace nada, el viaje no se realiza y la máquina se detiene.

Pero para poder dirigir correctamente y hacerlo marchar, debe tener un conocimiento cabal de dicho vehículo.

Para eso, necesita un tablero que le indique algunos datos sobre el objeto que coordina: velocidad, cantidad de combustible, aceite, temperatura, luces en uso, reloj. Es una referencia, no informa destino.

Con esta información, el piloto puede tomar decisiones si se producen ciertas situaciones que así lo requieran.

Una de estas circunstancias se genera cuando el contador de combustible indica que este valor está por debajo del mínimo; en este caso, el conductor decidirá suspender momentáneamente el viaje y cargar combustible en una estación de servicio.

Puede suponerse que la UCP es el conductor y el Registro de Estado es el tablero o panel frontal.

La UCP es la responsable de ir manejando y coordinando los distintos componentes, memoria, periféricos, canales, para que el proceso funcione.

Si el procesador no hace nada, el proceso no se realiza y la máquina se detiene.

Pero para poder dirigir correctamente y hacerlo marchar, debe tener conocimiento cabal de dicho programa en ejecución.

Para eso, necesita un tablero que le indique algunos datos sobre el proceso que coordina: dónde está físicamente el programa en la memoria o cuál es el espacio asignado, cuál es la dirección de la próxima instrucción a ejecutar para ir a buscarla cuando finalice la activación de la instrucción actual, qué signo u otras características tiene el resultado de la última operación aritmética lógica de la UAL, y otros. Es una referencia, no informa qué hace el programa.

Con esta información, la UCP puede tomar decisiones si se producen ciertas situaciones que así lo requieran.

Una de estas circunstancias se genera cuando la instrucción solicita acceder a una dirección de memoria que está fuera de los límites indicados; en este caso, el procesador decidirá cancelar el programa.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 77

A los fines didácticos, se adopta la siguiente estructura para el Registro de Estado:

Campo Secuencia o R.P.I. Campo Interrupción

Campo Reubicación Campo Modo

Campo Condición

Campo Secuencia o R.P.I. Este campo ya ha sido tratado al analizar el Registro de Próxima Instrucción.

Campo Interrupción Este campo se analiza en un capítulo posterior.

Campo Reubicación Cada vez que se requiere la ejecución de un programa, un proceso del sistema operativo asigna un espacio en la memoria principal para poder alojarlo, transfiriéndolo de un dispositivo de almacenamiento masivo a la memoria principal.

Es muy probable que esta ubicación varíe de una solicitud a otra, puesto que este espacio se otorga de acuerdo al espacio libre existente en el momento de ejecución.

En consecuencia, el programa es escrito de forma tal que el sistema operativo lo reubica en memoria principal de acuerdo a sus disponibilidades. Este procedimiento es parte de lo que se denomina Administración de Memoria.

El Campo Reubicación es valorizado por el sistema operativo y contiene en todo momento la información necesaria para conocer la posición en memoria del programa asociado a la Palabra de Estado.

Esto permite a la UCP controlar que un programa no acceda a posiciones de memoria más allá de los espacios asignados en este campo, garantizando que no invada el espacio de direccionamiento de los otros procedimientos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 78

Campo Modo Contiene información referida al modo de operación en que se encuentra el procesador en cada instante, denominado Modo Corriente. Esto significa qué tipo de proceso está en ejecución.

Típicamente se consideran dos modos distintos: Privilegiado o Supervisor No Privilegiado o Usuario

Hace referencia a si el proceso en cuestión corresponde al sistema operativo o a un programa de usuario.

Esta distinción es muy importante al momento de decidir la UCP si una instrucción puede ejecutarse o no.

En Modo Privilegiado, el programa corriente tiene acceso a todas las capacidades del sistema, puede ejecutar cualquier instrucción y no tiene áreas restringidas sobre las cuales está impedido de realizar operaciones.

Es obvio que sólo los procedimientos del sistema operativo tienen autorización de operar en este modo.

Los programas del sistema operativo deben tener la posibilidad de acceder a todos los componentes del sistema informático pues es precisamente quien los controla.

Toda vez que el sistema operativo toma control de la UCP, o sea la UCP ejecuta un programa asociado a él, este campo se encuentra en Modo Privilegiado.

Es sumamente peligroso que un programa de usuario trabaje en estas condiciones ya que un error cualquiera puede provocar una tragedia al sistema informático.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 79

En Modo No Privilegiado, el programa corriente no puede en forma alguna interferir con el funcionamiento de cualquier otro proceso, simplemente porque ante el intento de realizar una operación asociada a Modo Privilegiado, la UCP no lo permite.

De esta manera se controla que sólo acceda a los recursos que se le han otorgado.

El procesador reconoce si una instrucción a ser ejecutada es privilegiada o no, pues la misma instrucción tiene un bit, o sea un marca dentro del código de instrucción, asociado a este tipo de operatoria que indica las características de dicha acción.

Por eso, la UCP previo a activar los circuitos electrónicos para que se ejecute una instrucción, controla el valor del Campo Modo del Registro de Estado.

Si es Modo Privilegiado, continúa con el trabajo.

Si dicho valor corresponde a Modo No Privilegiado, verifica el tipo de instrucción asociada. Si la marca de la instrucción corresponde a una instrucción privilegiada, la UCP no ejecuta esa instrucción y cancela la ejecución de dicho programa.

Para indicar el Modo de Operación, en este caso, basta con que el campo Modo tenga la capacidad de un bit, sin embargo algunos procesadores utilizan información redundante, asignándole un tamaño mayor que un bit.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 80

Campo Condición Este campo contiene una serie de bits que indican ciertas situaciones que se producen como resultado de la operación de la UAL. Informan las características del resultado de la última operación aritmética lógica.

Esta información es muy importante para la programación y sirven para adoptar decisiones en las bifurcaciones o saltos condicionales del programa.

La cantidad de bits y su utilidad depende del procesador, pero se puede considerar el siguiente conjunto como representativo: C, Bit de Arrastre o Carry Se coloca en 1 si se produce un arrastre del bit más significativo del resultado.

Toma valor 0 en caso contrario.

S, Bit de Signo Es una copia del bit de signo del resultado de la última operación realizada.

Toma valor 1 si el resultado es negativo, y 0 en caso contrario.

Z, Bit de Cero Este bit se valoriza en 1 si el resultado de la última operación es cero.

Caso contrario, toma valor 0.

P, Bit de Paridad Este bit corresponde a la paridad del resultado de la última operación.

V, Bit de Saturación o Overflow Se pone en 1 si el resultado excede la capacidad de representación disponible, sino en 0.

Como puede comprobarse, la UCP no toma acción alguna al producirse una saturación; simplemente coloca este bit en 1, y es responsabilidad del programador analizar el contenido de este campo y tomar una decisión al respecto.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 81

05.13.Ejecución de instrucciones – Conceptos generales Hasta el momento se ha detallado los distintos componentes que utiliza la UCP para su funcionamiento.

A continuación se analiza la forma en que se ejecutan las instrucciones en el procesador.

Esta actividad se puede considerar dividida en cuatro fases o pasos que realiza la UCP básicamente:

1.

Leer la instrucción en memoria principal.

2.

Incrementar el R.P.I..

3.

Decodificar la instrucción.

4.

Activar los circuitos para que la orden se realice.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 82

El paso 1 comienza con la transferencia del contenido de R.P.I. al R.Di. para efectuar la búsqueda o fetch de la instrucción en memoria central.

Se da la orden de lectura a memoria principal.

Una vez realizada esta lectura, el contenido de R.Da. se transfiere al R.I..

En el paso 2, el contenido del R.P.I. se auto incrementa, o sea que de manera automática se realiza esta operación sin intervención de la UAL. Esto permite mantener actualizado el valor de la dirección de la próxima instrucción en cada momento.

En el paso 3, la UCP analiza la instrucción a ejecutar.

El R.I. está físicamente conectado al Decodificador de Instrucciones. Éste es el componente de la UCP encargado de reconocer la orden recibida, determinar la operación a ser ejecutada a partir del Código de Operación de la instrucción, y los Operandos a ser utilizados.

Es posible que la instrucción leída no contenga los operandos reales sino una indicación de la forma de encontrarlos a través de su dirección, mediante direccionamiento directo o indirecto.

El paso 4 es el encargado de hacer efectiva la orden, o sea, activar los circuitos electrónicos para que la orden solicitada se cumpla.

Los circuitos de control envían las señales correspondientes a los distintos componentes del sistema que deben intervenir en la realización de la operación.

Una vez completado el ciclo, la UCP retoma la actividad del paso 1.

Cabe aclarar que este ciclo se repite indefinidamente desde que se enciende o suministra energía a la computadora hasta el momento en que se apaga retirando dicho suministro.

Así de elemental y simple, así de rutinario. Pero la UCP no reflexiona sobre la lógica de la tarea que realiza.

Sólo ejecuta instrucciones mediante este ciclo.

Si el programador no escribe las instrucciones en una secuencia razonable, el programa funciona incorrectamente y sus acciones no serán las deseadas.

Es responsabilidad de la persona. La máquina no lo puede controlar pues no está capacitada para hacerlo.

La computadora no es de utilidad sin el aporte del ser humano.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 83

05.14.Instrucciones de control La idea asociada intuitivamente a la noción de programa es la de un conjunto de instrucciones que se ejecutan en una determinada secuencia a los efectos de resolver un problema dado.

Esto es así pero no debe concluirse que ha de ser necesariamente lineal, o sea, en forma consecutiva desde la primera instrucción hasta la última. De hecho prácticamente nunca lo es.

En la vida cotidiana sucede lo mismo.

Puede tenerse una rutina de trabajo de manera que cierta tarea se realiza en secuencia o cadena, un acto preestablecido a continuación del otro.

Pero a veces, bajo ciertas condiciones, esta secuencia se altera.

Por ejemplo, se analiza el traslado de un conjunto de libros desde la mesa de trabajo hacia el archivero para guardarlos y luego limpiar la superficie de madera. Las acciones a realizar son las mismas para cada libro, moverlo, a continuación el siguiente, y así sucesivamente, siempre las mismas operaciones: tomar un libro con las manos, caminar hacia el archivero, colocarlo dentro de él, volver a la mesa de trabajo. Y así de seguido.

Pero esta actividad no será eterna, sino que cuando se haya finalizado el traslado, o sea cuando se verifique que no hay más libros a ordenar, la próxima acción no estará asociada a la secuencia anterior sino que se alterará para dar paso a otros actos, como limpiar la mesa.

Con la misma lógica, en todo programa surge la necesidad, en ciertos puntos, de alterar el orden normal o consecutivo de ejecución de las instrucciones.

Se produce entonces lo que se denomina una transferencia de control o salto.

Se denominan INSTRUCCIONES DE CONTROL a aquellas instrucciones que permiten realizar estas transferencias.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 84

Las INSTRUCCIONES DE CONTROL pueden ser de dos clases: INCONDICIONAL:

Toda vez que el programa llega a cierto punto, se produce la transferencia de control y el procesamiento continúa en una instrucción, siempre la misma, que no es la siguiente en el orden consecutivo sino la indicada, no existiendo ninguna consideración adicional.

Ejemplo:

JMP 1000 Indica que la siguiente instrucción a ejecutarse es la almacenada en la dirección lógica 1000, no la siguiente.

CONDICIONAL:

Llegado el programa a una instrucción de este tipo, la transferencia de control se produce sólo si se cumple una determinada condición preestablecida.

Ejemplo:

JZ 1000 Indica que si el bit de condición Z es 1, o sea si el resultado de la última operación realizada es cero, la siguiente instrucción a ejecutarse es la almacenada en la posición lógica 1000 de la memoria, no la siguiente.

Caso contrario, continúa la secuencia normal.

Los bits de condición de la PSW se emplean para implementar saltos condicionales.

La ejecución de una instrucción de control consiste en transferir la dirección de memoria indicada en el operando al R.P.I..

De esta forma, al leerse la próxima instrucción, o sea, cuando se inicia un nuevo ciclo, esta lectura se produce con la dirección de instrucción deseada y no la preestablecida inmediatamente siguiente.

Por ello, es conveniente que en el ciclo de ejecución de las instrucciones, el incremento del R.P.I. se efectúe inmediatamente después de la lectura de la instrucción, o sea, en el paso 2, y no después de completado el paso 4. En efecto, para el caso de las instrucciones de control, la segunda opción implica un intento de modificación, mediante el auto incremento, de la dirección que acaba de cargarse en el R.P.I..

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 85

05.15.Otras consideraciones sobre la UCP Se denomina MICROINSTRUCCIÓN a los pasos elementales en que se descompone una instrucción.

PERÍODO es el tiempo elemental determinado por el reloj para ejecutar una microinstrucción.

Cada fase en la ejecución de una instrucción puede necesitar uno o varios períodos.

Las instrucciones de máquina que admite una UCP son siempre las mismas, y en consecuencia, también lo serán las microinstrucciones. Por lo tanto los grupos de bits que las conforman se graban de forma permanente en una memoria no volátil, tipo ROM, alojada en la UCP. La MEMORIA DE CONTROL almacena los códigos o señales que controlan cada uno de los pasos elementales.

El SECUENCIADOR es el componente de la unidad de control encargado de sacar y distribuir a los elementos del sistema, las correspondientes señales de control de cada microinstrucción, ejecutando ordenadamente la instrucción en curso. Es un generador de señales.

Tener en cuenta que cada microinstrucción es un conjunto de 0 y 1 que se dirigen a las patitas de entradas de control de los circuitos integrados.

La unidad de control debe resolver las distintas señales dadas por las diversas instrucciones.

Esto significa tener un cronograma de las operaciones elementales de cada instrucción, mediante: -Lógica cableada -Memoria

Se diseña y construye a través de puertas lógicas.

Almacena la información de las señales de control de los períodos de cada instrucción.

Un MICROPROGRAMA es un conjunto de microinstrucciones que conforman el cronograma de una instrucción. Es una cadena binaria que representa los valores de las señales de control durante el conjunto de períodos que componen una instrucción.

Ejecutar un microprograma implica ir leyendo cada una de las microinstrucciones que lo componen, enviando la información leída a los elementos de la computadora como señales de control.

La cadencia de lectura está regida por el reloj.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 86

Una unidad de control microprogramada está compuesta por memoria de control, procedimientos y secuencia de microinstrucciones.

Puede operar con secuenciamiento explícito o implícito.

En el primer caso, cada microinstrucción contiene la dirección a la siguiente.

En el segundo, las microinstrucciones de los microprogramas están ordenadas consecutivamente.

CISC y RISC De acuerdo al conjunto de instrucciones con que opera la UCP, existen dos tipos de computadoras: CISC

Complex Instruction Set Computers: Los procesadores operan con un juego de instrucciones complejo.

Corresponde al concepto arquitectónico de las computadoras de los años 60 y 70.

Un amplio juego de instrucciones favorece el diseño de compiladores.

Los grandes juegos de instrucciones reducen el tamaño de los programas.

Las microinstrucciones son más rápidas que las instrucciones.

Así, el poner muchas funciones en forma de microprograma hace a la máquina más veloz.

RISC

Reduced Instruction Set Computers: Los procesadores operan con un juego de instrucciones reducido.

Las instrucciones son elementales.

Cada instrucción corresponde a una microinstrucción y se ejecuta en un ciclo de máquina.

Esta arquitectura favorece el funcionamiento de pipe-line que consiste en dividir una función a realizar en una serie de subfunciones que se pueden ejecutar de forma independiente.

Requiere co-procesadores especializados pues no existe microinstrucción.

Las funciones que realiza el procesador deben ser tan simples como sea posible.

Las instrucciones de máquina deben permitir que el compilador tenga las mismas primitivas que las microinstrucciones.

Las técnicas de compilación deben buscar la optimización, pero su diseño es más sencillo.

La inclusión de memoria caché mejora la velocidad de la memoria principal de forma que el acceso a ésta se hace equivalente a la memoria de control.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 05 ----------------- 87

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06.ETAPAS DE UN PROGRAMA 06.01.Introducción Un sistema es un conjunto de programas, por lo tanto, cualquier software de base o de usuario está compuesto por un número no determinado de programas dependiendo del objetivo.

En este capítulo se analiza las etapas a seguir para que el usuario logre que sus requerimientos lleguen al procesador y puedan ser ejecutados.

Ya se ha mencionado que para que esto suceda, la UCP debe ir ejecutando, una a una, las instrucciones asociadas a cada uno de los programas que cumplimenten la solicitud.

Para ello, se debe comenzar analizando qué es lo que el usuario desea que la computadora realice, y una vez diseñado el sistema, programarlo o sea escribir las diversas secuencias de instrucciones.

Esto implica que finalizada la etapa de estudio del proyecto, hay que aplicar el sistema, o sea que los procedimientos involucrados deben ser escritos por los programadores en un idioma amigable al ser humano.

Ahora bien, la UCP sólo conoce un idioma bastante elemental pero difícil de utilizar por el hombre, el lenguaje de máquina.

Su estructura idiomática, sintaxis y semántica, está compuesta por un conjunto de instrucciones desarrolladas conforme al comportamiento y aptitudes del procesador, a sus posibles operaciones, o sea a cómo el procesador puede implementar cada una de las órdenes del usuario.

Por ello, para simplificar la tarea, el programador escribe cada programa codificando sus instrucciones en un lenguaje sencillo de aprender. Algunos lenguajes de programación son Pascal, C, Java, Basic, Pl1, Cobol, Rpg, Assembler. Éste último es el más elemental; su sintaxis y semántica se aproximan al lenguaje utilizado por el procesador.

Luego la computadora traduce el programa mediante un procedimiento desarrollado a tal efecto, obteniendo un programa comprensible al procesador.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 89

Por ejemplo, si se desea sumar un contador hasta que su contenido llegue a 100, puede pensarse una secuencia de instrucciones escritas en pseudo código estructurado como la siguiente: Comienzo varCont = 0 Repetición varCont = varCont + 1 Hasta varCont = 100 Fin O mediante el siguiente programa escrito en pseudo código elemental: Inicio Sumar

varCont = topeCont = varCont = Si topeCont

0 100 varCont + 1 > varCont IrA Sumar

FinSi Puede observarse que en este último programa existe una instrucción de control IrA que modifica la secuencia lineal de realización de las órdenes.

En el idioma elemental utilizado, se indica mediante el uso de carteles que permiten nombrar el lugar a dónde se debe buscar la instrucción siguiente.

Un rótulo, etiqueta o cartel de instrucción es un nombre simbólico que identifica una línea de programa.

El procesador reconoce la ubicación de los datos en la memoria principal a través de su dirección, es decir, el número de posición, no mediante un nombre de dirección, o sea que el lenguaje de máquina debe dar las órdenes en consecuencia.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 90

Es necesario que un programa traductor se encargue no sólo de traducir las instrucciones a lenguaje de máquina sino de convertir la sintaxis y semántica al idioma de máquina, transformando los nombres de instrucciones y datos a direcciones de memoria correspondientes.

En este ejemplo, el programa en lenguaje de máquina hará referencia a la dirección de memoria donde está alojada la instrucción asociada a la operación de suma, y no al cartel Sumar.

De la misma manera, el operando Sumar de la instrucción IrA se convertirá, una vez traducido el programa, a un operando cuyo contenido es la dirección de memoria principal donde se encuentra la instrucción de suma.

Lo mismo ocurre con los nombres varCont y topeCont, que deben ser convertidos pues el programa en lenguaje de máquina hace referencia a la dirección donde está alojado el dato.

Respecto a la estructura de las instrucciones, también sufren modificaciones al ser traducidas a lenguaje de máquina.

Así como cada idioma tiene su sintaxis o estructura que le es propia, de forma similar ocurre con los lenguajes de programación y de máquina.

Se sabe que es imposible traducir exactamente una oración del español al inglés, puesto que si dicha oración contiene un adjetivo después del sustantivo correspondiente, en inglés debe ser colocado con antelación.

En cuanto al programa escrito en pseudo código elemental, las dos primeras líneas, pasan a ser dos áreas de memoria cuyos contenidos son 0 y 100 respectivamente.

Con la misma filosofía, esos valores pueden quedar almacenados en Registros de Uso General o Acumulador de la UCP. Por ello, ambas instrucciones de igualación no se traducen como una orden de igualar sino de mover el contenido del operando cuyo valor es 0, a la dirección de memoria donde se encuentra el dato varCont.

Sucede lo mismo con el valor 100 del operando, y topeCont.

Puede ocurrir que esta operación requiera dos instrucciones en lenguaje de máquina. La primera corresponde a mover el contenido del operando a un Registro de Uso General o al Acumulador de la UCP. La segunda indica transferir el contenido de dicho registro o Acumulador al área de memoria asociada a la dirección del dato.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 91

La pregunta es, ¿cómo hace el traductor para valorizar la dirección de una instrucción o un dato dentro del programa traducido?

La respuesta, en términos generales es la siguiente.

El traductor lleva un contador de posiciones, location counter o LC, inicializado en cero, que lo incrementa a medida que avanza en la lectura del programa escrito en el lenguaje de programación, en base a la longitud o cantidad de posiciones que ocupa en lenguaje de máquina.

Recordar que según el procesador y tipo de instrucción, con o sin operando, es la cantidad de bytes que requiere cada instrucción.

De esta manera es sencillo asociar la posición de una instrucción en lenguaje de máquina que ha sido referida mediante un rótulo en el lenguaje de programación.

Dicha dirección es relativa, pues se presupone que la posición de la primera instrucción es cero.

En cuanto a los datos, se les reserva espacio, medido en bytes, según el tipo de representación definido en el programa original.

El traductor construye una Tabla de Símbolos que contiene básicamente el símbolo correspondiente a cada rótulo o nombre de dato del programa original, y su valor numérico asociado a su posición, de acuerdo a lo indicado en el LC para cada línea de programa.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 92

Por ejemplo, el traductor de lenguaje Assembler a lenguaje de máquina necesita dos pasos para cumplimentar su objetivo. En cada fase realiza ciertas actividades:

Paso 1: Control de sintaxis Creación de la Tabla de Símbolos Detección de rótulos repetidos Impresión de la Tabla de Símbolos

Paso 2: Generación de código de máquina:

Traducción de las instrucciones, una a una

Resolución de direcciones simbólicas:

Conversión de cada rótulo o nombre de dato en su dirección asociada en la Tabla de Símbolos

Determinación de referencias no resueltas Impresión de diversos informes

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 93

Tener en cuenta que el programa traductor no puede resolver o traducir todas las instrucciones escritas por el programador.

Esta situación queda reflejada en el punto 3 del paso 2 del procedimiento de traducción.

Sucede que algunas instrucciones pueden hacer referencia a acciones que deben ser ejecutadas por el sistema operativo, o son instrucciones que invocan a otros procedimientos o rutinas.

Una salida a la pantalla o impresora, una entrada desde el teclado o ratón, un pedido de lectura o escritura de un dato a un dispositivo de almacenamiento masivo, pueden indicarse mediante una sola instrucción en algún lenguaje de programación.

Pero esto no implica una instrucción en lenguaje de máquina sino una secuencia de operaciones asociadas a diversos programas del sistema operativo que dan las órdenes correspondientes al canal, previo realizar ciertos controles, como autorización de acceso, prioridad de uso del recurso, ubicación física del dato dentro del periférico, y otros.

Es decir, estas órdenes escritas por el programador sólo indican genéricamente lo que se debe hacer, no especifican en detalle la secuencia de instrucciones al procesador de la manera precisa en que éste debe recibirlas para poder cumplimentar la solicitud.

Es por este motivo que una vez traducido el programa escrito por el programador en un lenguaje determinado, a un programa en lenguaje de máquina, este texto debe ser modificado para incluir las instrucciones, denominadas genéricamente CALL, que llaman a rutinas del sistema operativo u otras rutinas externas.

Esta nueva secuencia de órdenes traducidas, que incluye todas las instrucciones detalladas, se almacena en un archivo dentro de un dispositivo de almacenamiento masivo.

Por último, es necesario transferir este programa contenido en un archivo, a la memoria principal, para que la UCP puede ejecutarlo.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 94

06.02.Etapas y procedimientos

editor de texto programa fuente compilador programa objeto vinculador programa ejecutable cargador imagen de memoria

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 95

06.03.Programa fuente y editor de texto El PROGRAMA FUENTE es un programa escrito por una persona en un lenguaje de programación.

Lenguaje de programación es el idioma que conoce el programador con el cual escribe los programas, por ejemplo Java, Basic, C, Pascal.

El programa fuente se ingresa a la computadora a través del EDITOR DE TEXTO y queda grabado en un dispositivo de almacenamiento masivo.

06.04.Programa objeto y compilador El PROGRAMA OBJETO es un programa traducido a lenguaje de máquina, o sea al idioma que reconoce la UCP. El procedimiento encargado de traducir el programa fuente a programa objeto se denomina COMPILADOR. Dicho programa se guarda en un dispositivo de almacenamiento masivo.

06.05.Programa ejecutable y vinculador o linker El PROGRAMA EJECUTABLE es un programa objeto al cual se le han incorporado las rutinas del sistema operativo u otros programas externos en formato objeto.

El procedimiento que asocia el programa objeto con las rutinas del sistema se llama VINCULADOR o LINKER. El programa ejecutable se guarda en un dispositivo de almacenamiento masivo.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 96

06.06.Imagen de memoria y cargador Cuando un programa ejecutable es transferido a la memoria principal para que la UCP pueda ejecutarlo, dicho conjunto de instrucciones alojadas en memoria principal se denomina IMAGEN DE MEMORIA. El procedimiento que realiza esta operación se llama CARGADOR.

06.07.Proceso El PROCESO es un programa en ejecución.

Esto significa que la UCP está ejecutando sus instrucciones.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 97

06.08.Modos de direccionamiento Los modos de direccionamiento hacen referencia a los métodos para encontrar los operandos de una instrucción en lenguaje de máquina.

La característica y cantidad de estos modos depende del procesador, pero en términos globales se analizan dos grupos dependiendo a cómo incide en el ciclo de ejecución de una instrucción:

SIN REFERENCIA A MEMORIA CENTRAL

CON REFERENCIA A MEMORIA CENTRAL

SIN REFERENCIA A MEMORIA

En este modo, el operando, si existe, se conoce en el mismo paso de lectura de la instrucción.

Modo implícito: El operando está implícito en el código de operación.

Ejemplo: bit de condición, Acumulador.

Modo registro: Se indica un Registro de Uso General, cuyo contenido es el operando.

Operandos inmediatos: La posición de memoria siguiente al código de operación, que se leen juntas, contiene el operando.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 98

CON REFERENCIA A MEMORIA

En este modo, junto con el código de operación se provee la dirección del operando.

Esto implica que para conocer el operando se deben hacer uno o varios accesos a memoria.

Modo directo: La posición de memoria siguiente al código de operación, que se leen juntas, contiene la dirección del operando.

Modo indirecto: Registro indirecto: Se indica un Registro de Uso General que contiene la dirección del operando.

Memoria indirecto: La posición de memoria siguiente al código de operación, que se leen juntas, contiene la dirección donde está alojada la dirección del operando.

Indexado: Se indica dirección y un registro cuyo contenido se suma a la dirección para determinar la posición en memoria.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 99

06.09.Macroinstrucción y subrutina Macroinstrucción Una MACROINSTRUCCIÓN es un conjunto de instrucciones parametrizadas.

Una macro es esencialmente una herramienta para reemplazar un conjunto de parámetros por otro, y puede ser descripta como una secuencia formal de instrucciones prototipo que, al ser invocada con sus parámetros correspondientes, da como resultado el reemplazo de este llamado por una expresión de código consistente en las instrucciones reales generadas en función de los parámetros utilizados.

Al desarrollar un programa o secuencia de comandos es común observar que muchas secuencias de órdenes son repetidas gran número de veces con solo algunos cambios en sus parámetros.

Las macros permiten no tener que volver a escribir estas secuencias cada vez que aparecen.

Subrutina Una SUBRUTINA es un conjunto de instrucciones que aparecen una sola vez en el programa, pero que pueden ser ejecutadas reiteradamente invocándolas desde cualquier parte del mismo.

En cada ejecución puede haber ciertos valores que varíen, denominados parámetros.

Por ejemplo, en la subrutina de cálculo de raíz cuadrada, el único parámetro es el argumento del mismo; en el cálculo del módulo de un número complejo, los parámetros son las partes real e imaginaria del mismo.

Es frecuente que las subrutinas se escriban y compilen en módulos separados del programa principal siendo almacenadas como programa objeto en bibliotecas del sistema o del usuario.

Posteriormente, pueden ser utilizadas por varios programas fuente, haciendo referencia a ellas mediante una instrucción de llamada o CALL, o salto a subrutina o JSR. El vinculador o linker es el encargado de relacionar cada programa objeto con las subrutinas objeto que utiliza, quedando incorporada la secuencia de instrucciones en un único programa ejecutable.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 100

Llamado a subrutina, se denomina a una instrucción que provoca su ejecución.

Al momento de ejecutarse un programa, de llegar al Registro de Instrucción una instrucción de llamado a subrutina, la UCP transfiere el control a la primera instrucción de la misma.

Se ejecutan las sucesivas instrucciones de la subrutina hasta que aparece la instrucción de retorno, RET o RTS. Esta instrucción produce que el control sea transferido nuevamente a la secuencia original, continuando su ejecución a partir de la instrucción siguiente a la invocación.

El mecanismo es el siguiente: ProgramaOriginal ------------------------------------------------------------CALL Subrutina ----------------------------------------------

Subrutina

------------------------------------RET

Internamente, la instrucción de llamado combina dos operaciones: -

Cargar el valor del R.P.I. en el registro pila o stack, operación conocida como PUSH. Al ejecutarse esta acción, el contenido del R.P.I. ya se encuentra incrementado, de modo que apunta a la dirección de la instrucción siguiente al CALL, que es la dirección de retorno.

-

Transferir el control a la dirección especificada en el operando de la instrucción de llamado.

Esto significa que el contenido del operando se carga en el R.P.I., haciendo que la siguiente instrucción sea la asociada a la dirección de inicio de la subrutina.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 101

Se debe recordar que al momento de la vinculación el rótulo asociado al nombre de la subrutina se cambia por la dirección relativa dentro del programa ejecutable donde se encuentra la primera instrucción de la subrutina invocada.

La instrucción de retorno simplemente retira el elemento superior de la pila o stack y lo carga en el R.P.I..

Las instrucciones de llamada a subrutina y retorno pueden tratarse como operaciones condicionales.

Las llamadas a subrutinas pueden anidarse o sea que una subrutina puede invocar a otra, y así sucesivamente.

La única limitación práctica para este anidamiento es la capacidad disponible en la estructura de pila o stack para almacenar las direcciones de retorno.

Normalmente una subrutina requiere datos con los cuales operar, información que hasta el momento previo a su invocación están siendo utilizados por el programa invocador.

Lo mismo sucede al momento de entregar los resultados al programa original.

Estos datos pueden ser compartidos a través de dos modalidades: -

Uno o varios Registros de Uso General Memoria, mediante lista de parámetros o lista de direcciones

Para determinar la conveniencia de reemplazar un cierto segmento de código fuente que se repite más de una vez en uno o varios programas, por una subrutina, se deben considerar los factores: -

Cantidad de instrucciones del segmento Número de veces que se repite Cantidad de programas que utilizan dicha secuencia

Otra ventaja del uso de subrutinas es que refuerza la programación modular, permitiendo ser desarrolladas, probadas y depuradas simultáneamente con los programas principales, con el consiguiente ahorro de tiempo y aumento en la simplicidad del sistema.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 102

Diferencias entre macroinstrucción y subrutina Tanto la MACROINSTRUCCIÓN como la SUBRUTINA son secuencias de instrucciones que se repiten varias veces en el programa y cuyo resultado depende en cada caso de los valores reales de ciertos parámetros.

Una diferencia entre ambos es que en el caso de las subrutinas el control se transfiere a otra parte del programa, mientras que las macros generan código en línea, es decir que se incluye en el cuerpo del programa.

De esta forma, el procedimiento contendrá una sola versión de una subrutina y tantas versiones de una macroinstrucción como veces ésta sea llamada.

Se enfatiza el concepto de versión dado que ésta es una de las diferencias fundamentales.

Una macro no necesariamente genera el mismo código fuente cada vez que es llamada ya que cambiando los parámetros de llamada, normalmente se modifica el código generado.

Además los parámetros de las macroinstrucciones pueden ser controlados en el momento de la compilación mediante directivas de ensamblado condicional.

O sea que una macro genera código fuente adaptado a cada necesidad en tiempo de compilación mientras que una subrutina reside en un único lugar del programa y es funcional sólo en tiempo de ejecución.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 103

06.10.Máquina elemental basada en microprocesadores 80xx Repertorio de algunas instrucciones básicas -Assembler-

-------Descripción de la instrucción--------- ------------------Lenguaje de máquina---------------------Primer byte de instrucción Segundo Tercer (Obligatorio por corresponder al byte byte Código código instrucción y operandos (opcional) (opcional) nemónico en modo implícito) Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bits Bits 7 6 5 4 3 2 1 0 7a0 7a0 Transferir contenido de r2 a r1.

MOV r1, r2 0 1 D D D S S S MVI r1, datoA Transferir contenido de dato a r1.

0 0 D D D 1 1 0 dato LDA Rótulo Transferir contenido de dir a Acumulador.

0 0 1 1 1 0 1 0 dir dir STA Rótulo ADD r1 ADI datoA SUB r1 SUI datoA INR r1 DCR r1 CMP r1 CPI datoA HLT

Transferir contenido de Acumulador a dir.

Sumar contenido de r1 a Acumulador.

Sumar contenido de dato a Acumulador.

Restar contenido de r1 a Acumulador.

Restar contenido de dato a Acumulador.

Incrementar contenido de r1.

Decrementar contenido de r1.

Comparar contenido de r1 y Acumulador.

Los contenidos de registros no cambian, activa flags según resultado (A – r1).

Comparar contenido de dato y Acumulador.

Los contenidos de registros no cambian, activa flags según resultado (A – dato).

Finalizar programa.

0

0

1

1

0

0

1

0

1 1 1 1 0 0 1

0 1 0 1 0 0 0

0 0 0 0 D D 1

0 0 1 1 D D 1

0 0 0 0 D D 1

S 1 S 1 1 1 S

S 1 S 1 0 0 S

S 0 S 0 0 1 S

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

0

1

1

0

(1° byte)

(2° byte)

dir

dir

(1° byte)

(2° byte)

dato dato

dato

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 104

IN canalA OUT canalA PUSH rp

POP rp

JMP Rótulo

Recibir 8 bits de canal de entrada y transferirlo a Acumulador.

Enviar 8 bits a canal de salida desde Acumulador.

Meter en stack, según SP, contenido de par de registros rp (r1 - r2): Stack(SP – 1) = r1 Stack(SP – 2) = r2 SP = SP – 2 Sacar de stack, según SP, y transferirlo a par de registros rp (r1 - r2): r1 = stack(SP) r2 = stack(SP + 1) SP = SP + 2 Transferir contenido de dir a R.P.I..

1

1

0

1

1

0

1

1

canal

1

1

0

1

0

0

1

1

canal

1

1

R

P

0

1

0

1

1

1

R

P

0

0

0

1

1

1

0

0

0

0

1

1

Transferir contenido de dir a R.P.I. si cumple 1 condición xx, traducida a CCC. CALL Rótulo Saltar a subrutina de inicio dir.

1

Jxx Rótulo

Cxx Rótulo RET DB datoA

Saltar a subrutina de inicio dir si cumple 1 condición xx, traducida a CCC. Retornar de subrutina.

1 Instrucción no ejecutable, incluye rótulo.

Indica al compilador crear un byte con el contenido de dato, a ser referenciado mediante rótulo.

1 1 1 1

C 0 C 0

C 0 C 0

C 1 C 1

0 1 1 0

1 0 0 0

0 1 0

dir

dir

(1° byte)

(2° byte)

dir

dir

(1° byte)

(2° byte)

dir

dir

(1° byte)

(2° byte)

dir

dir

(1° byte)

(2° byte)

1

Nota: esta máquina elemental, dada la existencia de instrucciones de distinta longitud, incrementa el R.P.I. en 1 (paso 2 de ejecución de instrucción). Al momento de activar los circuitos para que la orden se realice (paso 4 de ejecución de instrucción), ajusta el incremento de acuerdo a la cantidad de bytes utilizados.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 105

Simbología empleada: r1, r2, r3

Indica uno de los Registros de Uso General con capacidad de 8 bits.

Su codificación en lenguaje de máquina y su equivalente en Assembler: 111 = A o Acumulador 000 = B 001 = C 010 = D 011 = E 100 = H 101 = L 110 = M o dirección de memoria determinada por el contenido de los registros H-L

rp

Indica una pareja de registros.

Su codificación en lenguaje de máquina y su equivalente en Assembler r1-r2: 00 = B-C 01 = D-E 10 = H-L 11 = SP

DDD

Indica un registro destino, entre 000 y 111, codificado en lenguaje de máquina.

SSS

Indica un registro fuente, entre 000 y 111, codificado en lenguaje de máquina.

datoA

Indica un carácter alfanumérico o valor numérico entero hexadecimal, binario, decimal, etc.

Corresponde a lenguaje Assembler.

Indica un valor de 8 bits en representación Ascii o entera binaria con signo complemento a 2.

Corresponde a lenguaje de máquina.

dato

Rótulo

Indica el nombre de una instrucción o dato.

Corresponde a lenguaje Assembler.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 106

dir

Indica una dirección de memoria de 16 bits en representación entera binaria sin signo.

Corresponde a lenguaje de máquina.

stack

Indica una estructura pila en memoria principal, de 8 bits cada elemento.

SP

Indica el stack pointer o puntero de pila de 16 bits.

canalA

Indica un número entero decimal, entre 0 y 255, asociado al código de canal.

Corresponde a lenguaje Assembler.

Indica un número de 8 bits asociado al canal en representación entera binaria sin signo.

Corresponde a lenguaje de máquina.

canal

CCC

Indica una condición, según el estado de los flags, codificado en lenguaje de máquina: 000 : flag Z o bit zero = 0 o sea si resultado <> 0.

001 : flag Z o bit zero = 1 o sea si resultado = 0.

010 : flag C o bit carry = 0 o sea si no hubo acarreo o carry.

011 : flag C o bit carry = 1 o sea si hubo acarreo o carry.

100 : flag P o bit paridad = 0 o sea si bit de paridad de resultado = 0.

101 : flag P o bit paridad = 1 o sea si bit de paridad de resultado = 1.

110 : flag S o bit signo = 0 o sea si resultado >= 0.

111 : flag S o bit signo = 1 o sea si resultado < 0.

xx

Indica las letras a codificar en Assembler como parte del código de instrucción condicional: NZ si flag Z = 0 o sea si resultado <> cero.

Z si flag Z = 1 o sea si resultado = 0.

NC si flag C = 0 o sea si resultado no produjo acarreo o carry.

C si flag C = 1 o sea si resultado produjo acarreo o carry.

P si flag S = 0 o sea si resultado >= 0.

N si flag S = 1 o sea si resultado < 0.

PO si flag P = 0 o sea si bit de paridad de resultado = 0.

PE si flag P = 1 o sea si bit de paridad de resultado = 1.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 107

Ejemplo 1: Codificar en lenguaje Assembler un procedimiento que grabe cero en las posiciones de memoria 00FF a 0001, expresado en hexadecimal. Ensamblar dicho programa.

Programa fuente escrito en lenguaje Assembler: MVI B, 0 ;Mover 0, expresado en decimal, a registro B MVI H, 00H ;Mover 0, expresado en hexadecimal, a registro H MVI L, 0FFH ;Mover FF, expresado en hexadecimal, a registro L Grabar: MOV M, B ;Mover contenido de B a dirección de memoria dada por reg. M DCR L ;Decrementar contenido de registro L JNZ Grabar ;Bifurcar a instrucción Grabar si resultado no es cero HLT ;Finalizar proceso Programa objeto, ensamblado a partir de LC = 0: Dirección relativa de memoria (expresión hexadecimal) 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B

Programa objeto (expresión binario) 00000110 00000000 00100110 00000000 00101110 11111111 01110000 00101101 11000010 00000110 00000000 01110110

Programa objeto (expresión hexadecimal) 06 00 26 00 2E FF 70 2D C2 06 00 76

Tabla de Símbolos: SÍMBOLO Grabar

DIRECCIÓN 0006

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 108

Ejemplo 2: Codificar en lenguaje Assembler un procedimiento que solicite un carácter de 0 a 9 alfanumérico, lo convierta a numérico binario con signo, y lo grabe en la posición de memoria 00FF, expresado en hexadecimal, si dicho valor es un carácter válido.

Ensamblar y vincular dicho programa generando un ejecutable reubicable.

Simular su ejecución detallando la variación de los contenidos de los registros, flags y áreas de memoria con las siguientes hipótesis: - La computadora trabaja con paridad par.

- El procesador opera en modo dual, 0 supervisor o monitor, 1 usuario.

- La capacidad de la pila es de 4 elementos entre posiciones 1000 y 1003 hexadecimal.

- La gestión de memoria es asignación contigua.

- La carga de la imagen de memoria es a partir de la posición 0100, expresado en hexadecimal.

- Se ejecuta en modo supervisor por acceder a áreas de memoria fuera de los límites del programa.

Programa fuente Alfnu escrito en lenguaje Assembler: Alfnu; Conversión del contenido del Acumulador de alfanumérico a binario con signo Valida y almacena en la dirección absoluta de memoria 00FFH Inic: Comp1: Comp2: Conver:

Grabar: Fin:

MVI C, 48D CALL Ingre CMP C JN Fin CPI 58D JP Fin SUB C MVI H, 00H MVI L, 0FFH MOV M,A HLT

;Mover 48, expresado en decimal, a registro C ;Llamar a subrutina Ingre ;Comparar contenido de registro C y Acumulador ;Bifurcar a instrucción Fin si resultado es negativo ;Comparar 58, expresado en decimal, y Acumulador ;Bifurcar a instrucción Fin si resultado es positivo o cero ;Restar contenido de registro C a Acumulador ;Mover 0, expresado en hexadecimal, a registro H ;Mover FF, expresado en hexadecimal, a registro L ;Mover contenido de Acumulador a registro M ;Finalizar proceso

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 109

Subrutina fuente Ingre escrita en lenguaje Assembler: Ingre; Solicitud del carácter a convertir a numérico, desde canal 07O al Acumulador

Solic:

LDA Solic OUT 13H IN 07O RET DB “:”

;Cargar Acumulador con el contenido de Solic ;Enviar contenido de Acumulador a canal de salida indicado ;Recibir de canal de entrada indicado y transferir a Acumulador ;Fin de subrutina y retorno ;El byte de dato Solic se valoriza con el carácter alfanumérico :

Programa ejecutable, ensamblado a partir de LC = 0, y vinculado: Tabla de Símbolos del programa principal Alfnu: SÍMBOLO Inic Ingre Comp1 Fin Comp2 Conver Grabar

DIRECCIÓN 0000 ---- / 0015 0005 0014 0009 000E 0013

Tabla de Símbolos de la subrutina Ingre: SÍMBOLO Solic

DIRECCIÓN 0008 / 001D

Nota: La dirección correspondiente a Ingre se resuelve en la vinculación.

Las direcciones relativas de Ingre se actualizan al incorporarse al programa principal.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 110

Dirección relativa de memoria (expresión hexadecimal) 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 000A 000B 000C 000D 000E 000F 0010 0011 0012 0013 0014 0015 0016 0017 0018 0019 001A 001B 001C 001D

Programa ejecutable (expresión binario) 00001110 00110000 11001101 00010101 00000000 10111001 11111010 00010100 00000000 11111110 00111010 11110010 00010100 00000000 10010001 00100110 00000000 00101110 11111111 01110111 01110110 00111010 00011101 00000000 11010011 00010011 11011011 00000111 11001001 00111010

Programa ejecutable (expresión hexadecimal) 0E 30 CD 15 00 B9 FA 14 00 FE 3A F2 14 00 91 26 00 2E FF 77 76 3A 1D 00 D3 13 DB 07 C9 3A

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 111

Simulación de ejecución, expresado en hexadecimal, al ingresar el carácter 7:

InteR.P.I. Modo rrupción Inicio 0000 0 MVI 0001 0 0002 CALL 0003 0 0005 0015 LDA 0016 0 0018 OUT 0019 0 001A IN 001B 0 001C RET 001D 0 0005 CMP 0006 0

-

JN

-

0007 0 0009 CPI 000A 0 000B JP 000C 0 000E

-

-

-

Reubica- Flag Flag Flag Flag Flag ción Z C S P Ov 0100 001D 0100 001D 0100 001D

Dir. R.Di. Reg. Reg. Reg Reg. S.P. Stack mem.

C H L A 00FF 0100 1004 -- --- -0102 30 1004 -- --- -0115 30 1002 -- -00 05

0100 001D 0100 001D 0100 001D 0100 001D 0100 0 001D 0100 0 001D 0100 0 001D 0100 0 001D

0118 30

3A

011A 30

3A

011C 30

37

0105 30

37

0

0

1

0

0106 30

37

0

0

1

0

0109 30

37

0

1

1

0

010B 30

37

0

1

1

0

010E 30

37

1002 -- -00 05 1002 -- -00 05 1002 -- -00 05 1004 -- --- -1004 -- --- -1004 -- --- -1004 -- --- -1004 -- --- --

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 112

SUB 000F 0

-

MVI 0010 0 0011 MVI 0012 0 0013 MOV 0014 0

-

HLT 0015 0 ----

-

-

0100 0 001D 0100 0 001D 0100 0 001D 0100 0 001D 0100 0 001D

0

0

1

0

010F 30

0

0

1

0

0111 30

00

0

0

1

0

0113 30

00

FF

07

0

0

1

0

0114 30

00

FF

07

0

0

1

0

----

00

FF

07

30

07 07

1004 -- --- -1004 -- --- -1004 -- --- -1004 -- -- 07 -- -1004 -- -- 07 -- --

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 113

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 06 ----------------- 114

07.INTERRUPCIONES 07.01.Conceptos generales El concepto de interrupción es absolutamente similar al de la vida cotidiana.

Si una persona se encuentra leyendo un libro en su casa y suena el timbre de calle, evidentemente este hecho produce una interrupción en la lectura. Se requiere su atención. Sin embargo, el simple hecho de que alguien haya llamado, no implica necesariamente que el interruptor sea atendido. A veces esta decisión se toma luego de observar al exterior.

En otras palabras, el interrumpido analiza la situación, en muchos casos establece con antelación a quienes atenderá y a quienes no, de acuerdo a lo que se está realizando en el momento en que se produce la interrupción, determinando una escala de prioridades entre la actividad actual y la que interrumpe.

Al procesador le sucede lo mismo.

Se define para este tipo de suceso el concepto siguiente:

Una INTERRUPCIÓN es una señal enviada a la UCP por un componente del sistema, indicando que requiere atención por parte del sistema operativo.

Conclusión:

.Los diversos componentes del sistema envían señales a la UCP toda vez que requieran atención por parte del sistema operativo. .El procesador debe contar con algún mecanismo para determinar, ante cada requerimiento, el tratamiento a dar a estas interrupciones.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 07 ----------------- 115

De acuerdo a la situación, una interrupción puede ser: -

Por el componente que la genera: Interrupción de hardware Interrupción de software Una interrupción puede ser producida tanto por el hardware, por ejemplo una señal de DONE de la memoria al procesador en caso de error, cuanto por el software, por ejemplo si una instrucción de programa desea acceder a una dirección de memoria inválida o que no existe, o una llamada al sistema operativo solicitando una entrada/salida o el uso de algún recurso que administra.

-

Por el origen respecto a la UCP: Interrupción interna Interrupción externa

-

Por su forma de ocurrencia en el tiempo: Interrupción sincrónica Interrupción asincrónica

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 07 ----------------- 116

07.02.Clases de interrupciones A grandes rasgos, las interrupciones pueden clasificarse en cuatro grupos:

-

Llamadas al Supervisor Terminación normal de un proceso Pedido de información Pedido de recursos Solicitud de entrada/salida

-

Terminación de entrada/salida

-

Errores de programa

-

Fallas del procesador

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 07 ----------------- 117

07.03.Proceso de atención de una interrupción Las acciones realizadas por la UCP al recibir una interrupción son:

1.

Determinar el derecho a interrumpir del componente que envía el pedido con respecto a la acción en curso.

Si la interrupción no es aceptada, queda en espera y el proceso en ejecución continúa normalmente.

En caso contrario, se sigue con el mecanismo siguiente que altera transitoriamente el ciclo de ejecución de una instrucción en la UCP. Para poder realizar este control de prioridad, el Registro de Estado cuenta con información en el Campo Interrupción que da cuenta de ello.

2.

Preservar la Palabra de Estado del proceso en curso.

Esto implica mover el contenido del R.E. a una estructura de pila indicada por el R. Puntero de Pila.

Este procedimiento se realiza para que la UCP pueda retomar, en otro momento, el proceso interrumpido en el mismo punto en que fue suspendido.

3.

Cargar en el R.E. la Palabra de Estado asociada al proceso que atiende la interrupción.

Esto permite a la UCP iniciar la ejecución de otro procedimiento distinto al que estaba realizando pues ha sido modificado el tablero o panel de control.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 07 ----------------- 118

4.

Ejecutar la RUTINA DE ATENCIÓN DE INTERRUPCIÓN. La UCP ejecuta las instrucciones de este proceso hasta que él mismo le indique, en su última instrucción, la operación de RETORNO. Esta rutina resuelve la solicitud que provocó la interrupción.

5.

Una vez completada la ejecución de esta rutina hay dos acciones posibles: Cargar la Palabra de Estado asociada al proceso interrumpido en el Registro de Estado, para continuar con dicho proceso.

Cargar la Palabra de Estado asociada a otro proceso en el Registro de Estado para iniciar o continuar otra tarea, si el proceso interrumpido debía finalizar o abortar.

6.

Continuar con el proceso interrumpido o ejecutar el proceso asociado a la P.S.W. del paso anterior.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 07 ----------------- 119

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 07 ----------------- 120

08.TELEINFORMÁTICA 08.01.Clasificación: sistemas centralizados y sistemas distribuidos En la actualidad los sistemas computarizados pueden operar con más de un procesador, o sea, tienen la posibilidad de estar compuestos por una Unidad Central de Proceso, o varias.

Por eso, de acuerdo a los recursos referidos a UCP y a cómo implementan la computación de los procesos, los sistemas automatizados se clasifican de la manera siguiente:

Sistema centralizado:

La ejecución se realiza en un único procesador.

Sistema distribuido:

La ejecución se realiza entre varios procesadores físicos.

SISTEMA CENTRALIZADO El sistema computarizado tiene un diseño global como el analizado hasta ahora.

SISTEMA DISTRIBUIDO El diseño global de este tipo de sistema puede implementarse de acuerdo a las modalidades siguientes:

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 121

FUERTEMENTE ACOPLADO:

El sistema consta de un multiprocesador.

Estos procesadores comparten memoria central y reloj o timer.

UCP_01

memoria central

DÉBILMENTE ACOPLADO:

UCP_02

UCP_n

periféricos de e/s

El sistema consta de varios procesadores.

Estos procesadores no comparten memoria central ni reloj o timer.

Se comunican por buses de alta velocidad o línea telefónica.

sistema informático_01

sistema informático_02

UCP_01

memoria central_01

periféricos de e/s_01

UCP_02

memoria central_02

periféricos de e/s_02

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 122

08.02.Tipo de procesadores Para implementar los sistemas distribuidos, cada unidad de procesamiento puede ser: Miniprocesador Estación de trabajo Miniordenador Gran sistema informático Genéricamente cada unidad de procesamiento se denomina puesto, nodo, ordenador o computadora.

08.03.Objetivos de los sistemas distribuidos -

Compartir recursos.

Acelerar la computación o ejecución de los procesos, distribuyendo las tareas y carga de trabajo.

Optimizar la fiabilidad, permitiendo la transferencia de funciones en caso de fallo.

Ampliar la comunicación, intercambiando electrónicamente la información.

08.04.Conceptos generales – Conceptos relacionados Informática:

Teoría que estudia la automatización en el tratamiento y almacenamiento de la información.

Telecomunicación: Teoría que estudia la difusión de la información por ondas y electromagnetismo.

Hace posible la existencia de la radio, televisión, teléfono.

Teleinformática:

Teoría que aúna las dos posibilidades técnicas de la informática y la telecomunicación para poner en comunicación los sistemas informáticos.

También se la denomina telemática.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 123

Red de transmisión de datos: Es la estructura formada por los medios físicos y lógicos requeridos para soportar las necesidades de la teleinformática.

Proporciona el soporte para establecer la conexión entre los equipos informáticos.

Popularmente se conoce como red al sistema distribuido débilmente acoplado.

SEÑAL:

Es una marca que se pone a un objeto para distinguirlo de los otros.

Cada elemento tiene su señal para ser reconocido en un entorno dado.

Se consideran dos tipos de señales: Digital:

Está compuesta por un número discreto de estados.

Ejemplo: El alfabeto castellano es un conjunto de letras.

Cada letra es una señal.

Este alfabeto tiene una cantidad finita de elementos: a, b, c, ..., z.

Analógica:

Está compuesto por un número infinito de estados.

Ejemplo: La voz humana.

Cada sonido es una señal.

La voz puede emitir infinidad de sonoridades.

TRANSMITIR:

Significa transferir información.

En la transmisión, la información se convierte o traduce a señales capaces de ser transportadas por el medio.

CODIFICAR:

Convertir los niveles 0 y 1 de información binaria a señales que tengan los niveles necesarios para ser transportados por el medio de transmisión.

MODEM:

Es un componente que modula y demodula la información.

Esto significa que convierte de señal digital a analógica, y viceversa.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 124

08.05.Tipo de redes de transmisión Existen diversos tipos de redes de transmisión.

Se distinguen por la distancia en que se encuentran los diferentes equipos informáticos.

Esto implica diferencias en la velocidad y fiabilidad de la conexión.

L.A.N.:

Red de área local, generalmente es una conexión privada.

La señal es digital.

Alcanza gran velocidad pero el entorno es limitado.

La comunicación se implementa vía par trenzado de cables, fibra óptica, cable coaxil.

W.A.N.:

Red de área extensa, se transmite por servicio público compartiendo régimen de alquiler.

La señal puede ser analógica o digital.

Alcanza menor velocidad pero el entorno es universal.

La comunicación se implementa vía teléfono, microondas, satélite, fibra óptica.

RTC

Red telefónica conmutada: Los equipos informáticos se conectan utilizando modem.

RETC Red especial para la transmisión de datos: Se controla por centrales de conmutación o procesadores de comunicación.

RDSI Red digital de servicios integrados: Trabaja con tecnologías avanzadas en la transmisión de señales como fibras ópticas y centrales digitales.

Posibilita la codificación digital de señales analógicas como la voz y la imagen.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 125

08.06.Sistema de archivos Los criterios para analizar el sistema de archivos de un sistema distribuido se basa en la transparencia y ubicación de la información almacenada.

-ARPANET:

Se basa en un sistema FTP o file transfer protocol.

Los archivos son locales o propios, pero incluye la posibilidad de transferir mediante copia explícita los archivos de otros puestos.

Esto puede derivar en problema de versiones.

No es transparente al usuario.

-ENFOQUE CENTRALIZADO: Los archivos son locales, o compartidos almacenados en un puesto centralizado denominado servidor de archivos.

Esto puede provocar cuello de botella.

Es transparente al usuario.

-ENFOQUE DISTRIBUIDO: Los archivos son locales compartidos.

Si se implementa transparente al usuario, hay movilidad de datos y el sistema maneja tablas de localización.

Si se implementa no transparente al usuario la localización de los archivos es fija y se debe indicar el puesto donde está almacenado.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 126

08.07.Modos de computación De acuerdo a la modalidad de acceso a los recursos compartidos pueden distinguirse tres modos de operatoria: -MIGRACIÓN DE DATOS: El proceso se ejecuta en el puesto donde se realiza la solicitud.

El dato se transfiere desde el puesto donde está localizado y se devuelve modificado.

-MIGRACIÓN DE COMPUTACIÓN: El proceso se ejecuta en el puesto donde está localizado el dato.

Se implementa mediante llamada a procedimiento remoto.

No se produce transferencia de datos.

-MIGRACIÓN DE TRABAJOS: Un trabajo se distribuye entre distintos puestos.

Permite migrar tanto los datos como los procesos.

Esta modalidad hace posible: . . . .

Planificar la carga de trabajo.

Acelerar el cálculo.

Determinar la preferencia del hardware existente en el sistema distribuido.

Determinar la preferencia del software existente en el sistema distribuido.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 127

08.08.Consideraciones de diseño Topología Se denomina topología a la estructura geométrica que forman los nodos y las líneas que los unen.

Existen diversas configuraciones que pueden analizarse en base a tres criterios: a. b. c.

Costo básico de enlace entre nodos.

Costo de comunicación del mensaje, medido en tiempo.

Fiabilidad.

De acuerdo a estos factores, se mencionan las siguientes topologías y sus características:

-

Totalmente conectada:

Cada nodo está enlazado directamente con todos los demás. a. Elevado. b. Facilitado pues hay diversidad de enlaces. El entorno es veloz. c. La variedad de enlaces hacen más confiable la comunicación.

-

Parcialmente conectada:

Existen enlaces directos entre algunos pares de sitios, pero no todos.

Muchas de las conexiones se realizan de forma indirecta. a. Bajo. b. Más complejo. c. En caso de fallo, puede partirse la red.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 128

-

Jerárquica:

Los puestos se organizan con estructura de árbol.

Se implementa en ordenadores corporativos. a. Más bajo. b. Más complejo. c. En caso de fallo, se produce partición en subárboles.

-

Estrella:

Un nodo central está conectado a todos los demás.

El resto de los nodos no se conectan entre sí de manera directa.

Se implementa en sistemas cliente servidor con enfoque centralizado. a. Bajo. b. Bajo, pero el nodo central puede ser cuello de botella. c. Razonable, pero considerar el problema de cuello de botella.

-

Anillo:

Cada puesto se conecta a sólo dos.

Se implementa de forma unidireccional o bidireccional. a. Depende de la cantidad de puestos. b. Alto. c. En caso de fallo, de existir, puede optarse por el enlace doble.

-

Bus multiacceso:

Existe un único enlace compartido, a través de un bus.

Se implementa en línea recta o en anillo. a. Depende de la cantidad de puestos. b. Bajo, pero el enlace puede ser cuello de botella. c. Alto, salvo si se produce fallo en el enlace.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 129

Estrategia de encaminamiento, ruta o routing Analiza cómo se envían los mensajes entre dos nodos A y B a través de la red, cuál es el camino.

-

Recorrido fijo:

Queda especificado por adelantado, a menos que se produzca un fallo.

-

Circuito virtual:

Se define por sesión.

-

Recorrido dinámico:

Se determina en cada envío.

Estrategia de conexión Analiza la sesión de conexión, o sea la forma en que dos procesos envían una secuencia de mensajes.

-

Conmutación de circuito:

Se establece un enlace físico permanente mientras dura la sesión.

Es el caso de la comunicación telefónica tradicional sin teleconferencia.

-

Conmutación de mensaje:

Existe un enlace temporal durante la transmisión del mensaje.

Posibilita la teleconferencia.

-

Conmutación de paquete:

El enlace es compartido.

La información se transporta en bloques de longitud fija.

Los mensajes se envían subdivididos.

Seguridad y competencia SEGURIDAD Analiza la manera de mantener la privacidad de la comunicación, mediante un esquema de cifrado y descifrado, uso de claves privadas para uso exclusivo de un usuario y públicas para compartir selectivamente la información.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 130

COMPETENCIA Estudia la manera de resolver las demandas en conflicto para impedir colisiones o reenvíos.

-Detección de colisiones:

Corresponde al sistema CSMA/CD, Carrier Detect with Multiple Access o detección de portadora con acceso múltiple, que incluye Collision Detection o detección de colisión.

Antes de transmitir por un enlace, se verifica si está libre, sino espera.

Si se lanzan simultáneamente, ambos cancelan y reinician en tiempos aleatorios.

-Paso de testigos:

Se utiliza en topología de anillo.

Se espera el paso del token, y se cambia por el mensaje a enviar.

Al finalizar, se retransmite el token o mensaje testigo.

-Slots de mensaje:

Se implementa en topología de anillo.

Existen ranuras o slots de longitud fija que circulan continuamente.

El mensaje se carga en un slot vacío.

Cada puesto controla si la información de la ranura es para allí.

El mensaje se envía particionado.

Estrategia de diseño Analiza el diseño global de la comunicación entre aplicaciones teniendo en cuenta la complejidad inherente de coordinar operaciones asincrónicas.

Para simplificar, se divide el problema en capas. En cada nivel hay una serie de funciones que hacen uso de los servicios del nivel inferior, al mismo tiempo que dan servicio al nivel superior.

Cada nivel tiene su protocolo de hardware o software que fija las reglas de intercambio.

Siguiendo las normas de ISO o International Standards Organization, se implementa el modelo OSI o Interconexión de Sistemas Abiertos que divide la tarea en siete niveles. Una capa corresponde a los sistemas de aplicación, tres a los sistemas informáticos y tres a los medios de comunicación.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 131

7.

Capa de aplicación:

Es responsable de la interacción directa con los usuarios.

Ejemplo, manejador de base de datos o correo electrónico.

6.

Capa de presentación:

Se encarga de resolver diferencias de formato entre los puestos.

Abarca conversiones, cifrado y descifrado de seguridad.

5.

Capa de sesión:

Implementa los protocolos entre los procesos.

Incluye identificación de los interlocutores, protección mediante determinación de permisos de acceso a la red por parte de los usuarios.

4.

Capa de transporte:

Organiza la transferencia de mensajes entre los usuarios.

Sirve de acceso de bajo nivel a la red.

Optimiza el sistema y asegura la correcta transmisión de los datos.

Especifica la partición de mensajes en paquetes, ordenamiento, generación de direcciones físicas a partir de las lógicas.

3.

Capa de red:

Administra las estrategias de conexión y ruta.

Realiza la gestión y decodificación de direcciones.

Determina la circulación de información y nivel de carga.

2.

Capa de enlace de datos:

Atiende el protocolo de comunicación.

Establece el formato de los bloques de datos, manejo de paquetes, competencia tanto en sincronización como error y recuperación.

En este nivel, la unidad de información de la estructura de datos es el byte o trama.

1.

Capa física:

Se dedica a detalles funcionales de la conexión, tanto mecánicos como eléctricos de la transmisión física.

Se implementa en el hardware de la red.

La unidad de información es el bit.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 132

08.09.Ordenación de sucesos En un sistema centralizado o distribuido fuertemente acoplado, el control del orden de los sucesos es sencillo pues se cuenta con un único reloj que fija la temporalidad.

Pero en un sistema distribuido débilmente acoplado, este control es complejo porque existen muchos relojes. En estos sistemas se debe determinar el orden de los sucesos, o sea la relación sucedió_primero.

Para la determinación del orden de los eventos, se trabaja con las hipótesis siguientes: . . . .

.

Cada suceso es secuencial internamente, o sea está ordenado.

Si un mensaje se recibe es porque se envió antes.

Un suceso no precede a sí mismo.

Si el suceso A no precede al suceso B, y B no precede al A, son concurrentes.

Por lo tanto, no se afectan causalmente porque no saben mutuamente que están ocurriendo.

En este caso, no importa el orden.

Si el suceso A precede al B, significa que el suceso A puede afectar causalmente al B.

Las posibles soluciones son el uso de un reloj común o un conjunto de relojes sincronizados, pero no pueden implementarse en los sistema distribuidos débilmente acoplados.

En estos casos, se aplica el siguiente procedimiento: . . .

.

.

A cada suceso se asocia una marca o registro de tiempo denominado time stamp o ts.

Se define el orden global, o sea si A precede a B, ts(A) < ts(B).

Para cada proceso se define un reloj lógico, contador de sucesos del proceso o LC. A cada suceso del proceso, LC se incrementa en 1.

Por lo tanto, el orden global se cumple para sucesos dentro del mismo proceso, aunque no lo garantiza para eventos de distintos procesos.

Como los relojes lógicos de cada proceso pueden medir tiempos distintos, por estar en distintos nodos, un proceso avanza su valor lógico cuando recibe un mensaje cuya marca de tiempo es mayor que el valor actual de su reloj lógico, y a este valor le suma 1.

Si los ts son iguales, implica que corresponden a sucesos concurrentes.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 133

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 08 ----------------- 134

09.COMPUTADORAS DE ALTAS PRESTACIONES 09.01.Introducción La ampliación de las áreas de aplicación de las computadoras exigen la mejora constante y optimización de sus prestaciones.

Actualmente los sistemas informáticos deben responder a necesidades como el operar sobre grandes masas de datos estructurados, imágenes en tiempo real, estudios meteorológicos, control y cálculo de trayectoria de robots, inteligencia artificial.

Este incremento de potencia se logra no sólo a través de los avances tecnológicos sino explotando al máximo la arquitectura interna y los recursos lógicos del sistema informático.

En particular, la optimización en la velocidad de procesamiento están motivadas por los factores siguientes:

-

Necesidad de un incremento continuo de la potencia de cálculo.

Un uniprocesador puede alcanzar un máximo de potencia de 1 Gflop, mil millones de operaciones en punto flotante por segundo, considerando la limitación en la velocidad de transmisión en el silicio.

Este potencial es insuficiente para determinadas aplicaciones de la actualidad.

-

Los nuevos sistemas lógicos y lenguajes requieren una arquitectura más sofisticada que la clásica propuesta por von Neumann.

-

Las nuevas tecnologías VLSI, Very Large Scale Integration o escala de integración muy alta, proporcionan elementos de menor costo que en el pasado, en especial cuando se emplean en forma repetitiva como es el caso de una arquitectura paralela.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 09 ----------------- 135

Existen diversas alternativas para aumentar la velocidad de procesamiento, entre las que se destacan: -

Sustituir parte del sistema lógico por equipo físico, construyendo circuitos físicos para ciertas funciones repetitivas realizadas por software.

-

Usar tecnologías más rápidas.

Para disponer de máquinas que trabajan a más de 100 Mflops, 100 millones de operaciones en punto flotante por segundo, se precisan memorias con tiempo de acceso de pocos nanosegundos.

Pero, mejorar las características del equipo físico para elevar su velocidad no es suficiente, puesto que a esto hay que sumarle el tiempo de circulación de las señales entre las distancias a las que se encuentran los distintos componentes.

-

Incorporar nuevos diseños y estrategias de funcionamiento de la memoria principal, mediante el empleo de memoria virtual y memoria caché.

-

Optimizar la arquitectura de la UAL, reduciendo el número de niveles de puertas para realizar algoritmos, como el caso de los sumadores con acarreo anticipado.

-

Aumentar la complejidad de los circuitos de la unidad de control, mejorando la etapa de decodificación de la instrucción.

-

Incrementar el grado de concurrencia o paralelismo en el procesamiento, tanto a nivel de instrucciones como de programas.

-

Utilizar estructuras segmentadas tal que, mientras que se procesan unos datos, se leen los próximos a procesarse.

La forma tradicional de procesamiento de una computadora, de acuerdo a la idea propuesta por von Neumann y analizada en los primeros capítulos, se basa en un sistema centralizado, o sea uniprocesador, que procesa un flujo único de instrucciones y un flujo único de datos.

Puede observarse que, en muchos casos, no se ajusta a las alternativas propuestas.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 09 ----------------- 136

09.02.Clasificación de computadoras de acuerdo a su paralelismo El paralelismo es la ejecución simultánea de diversas instrucciones de programas, o la descomposición de una instrucción en varias partes y su ejecución simultánea.

Esta modalidad de procesamiento puede implementarse mediante un sistema distribuido o centralizado, e implica múltiples flujos de instrucciones, de datos o ambos.

Por ello, en 1966, Flynn clasifica a las computadoras, según su paralelismo, en cuatro grupos: SISD Flujo único de instrucciones, flujo único de datos: Su arquitectura corresponde al esquema tradicional de sistema centralizado uniprocesador.

SIMD Flujo único de instrucciones, flujo múltiple de datos: En esta arquitectura, una única unidad de control, o UC, supervisa el funcionamiento de un conjunto de unidades operativas, o UO, cada una conformada por una UAL y registros propios.

Esta estructura corresponde a los llamados procesadores matriciales.

La UC extrae la instrucción, la decodifica y envía las señales de control a las UO correspondientes.

Las UO se encargan de su ejecución. Cada UO opera con un flujo de datos concreto y propio.

Mientras, la UC comienza la búsqueda de la siguiente instrucción.

La memoria es compartida y compuesta por varios módulos.

O sea, existen n elementos de procesamiento o unidades operativas, y m módulos de memoria principal bajo el gobierno de una única UC que comanda las instrucciones.

Hay una red de interconexión entre las diversas UO. memoria principal

datos

UO_1 UO_2

datos

...

datos

UO_n

UC

flujo de instrucciones

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 09 ----------------- 137

MISD Flujo múltiple de instrucciones, flujo único de datos: Esta estructura permite la ejecución solapada o en cadena de instrucciones.

En esta arquitectura, varias UC reciben diferentes flujo de instrucciones que son ejecutadas en las correspondientes UO, alimentadas por un único flujo de datos.

Se asemeja a una superestructura segmentada en la que cada UC realiza una parte del procedimiento sobre el flujo de datos.

La memoria principal tiene una estructura modular compartida o entrelazada, combinando accesos en los diversos módulos que son autónomos.

Se pueden realizar tantos accesos simultáneos como módulos tenga la memoria principal.

memoria principal

instrucciones instrucciones instrucciones s

UC_1

UO_1

UC_2

UO_2

...

...

UC_n

UO_n flujo de datos

MIMD Flujo múltiple de instrucciones, flujo múltiple de datos: Se trata de una estructura típica de un sistema multiprocesador, un conjunto de procesadores en serie, cuyas UO soportan un flujo de datos y las UC un flujo de instrucciones.

Múltiples procesadores, con funcionamiento asincrónico, ejecutan distintos procesos al mismo tiempo. La ejecución de las instrucciones se da en forma simultánea.

Incluye una unidad de coordinación que controla y sincroniza, pero no ejecuta código máquina asociado a instrucciones de usuario.

La arquitectura de estos procesadores se analiza en el capítulo de teleinformática.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 09 ----------------- 138

09.03.Clasificación comercial de procesadores paralelos En base a las realizaciones concretas de procesadores paralelos, se puede distinguir la siguiente clasificación comercial: Procesadores segmentados Estos procesadores dividen los procesos en subprocesos, mediante la técnica de segmentación o pipe-line, formando cadenas secuenciales de trabajo.

La técnica de segmentación o pipe-line apunta al tratamiento en cadena de las secuencias de operaciones.

Para ello, divide la función F en una serie de subfunciones Fi que pueden ejecutarse de manera independiente, repartiendo las operaciones en serie.

Si se dispone de unidades individuales para procesar cada subfunción Fi se puede configurar una cadena que soporte el tratamiento simultáneo de tantos procesos como subfunciones existan.

La entrada de cada subfunción Fi está determinada por las salidas de las subfunciones anteriores.

No hay relación cruzada entre subfunciones.

Los tiempos requeridos para el cálculo de cada subfunción deben ser parecidos.

Generalmente las cadenas tienen funcionamiento sincrónico, utilizando registros intermedios entre las distintas etapas.

Los componentes están ordenados por un único reloj.

ENTRADA e g

F1

r e g

F2

...

r e g

Fn

SALIDA e g

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 09 ----------------- 139

El mayor problema del tratamiento en cadena surge cuando se produce alguna causa que impide seguir introduciendo elementos en la cadena, quedando ésta vacía.

Esta situación, denominada parón o hazard ocurre con las interrupciones, las bifurcaciones condicionales y con las dependencias entre los datos.

Las instrucciones de bifurcación son un ejemplo clásico de esta dificultad en unidades de control con tratamiento en cadena. Si existe una instrucción de salto condicional sobre la operación realizada por la instrucción anterior, la instrucción que sigue a la bifurcación no puede iniciarse hasta que quede especificada la alternativa de la condición. Este hecho provoca un hueco en la cadena.

Cuando los parones se deben a que distintos procesos necesitan utilizar la misma etapa a la vez, reciben el nombre de choques. Un ejemplo de choque se genera si se desea realizar dos o más accesos sobre el mismo elemento de memoria.

Los huecos que introducen los parones en la cadena hacen que no se pueda aprovechar al máximo la capacidad de proceso, haciendo que las prestaciones se degraden.

Fundamentalmente, hay dos tipos de procesadores segmentados:

VECTORIALES:

Se utilizan para procesar vectores en serie.

Un ejemplo es el procesador Cray-1.

ARRAY:

Se implementan como procesadores segmentados de dos dimensiones.

Trabajan con varias cadenas de flujo de datos para operaciones aritméticas de alto nivel como producto de matrices o cálculo de matriz inversa.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 09 ----------------- 140

Procesadores de arquitectura SIMD En base a esta arquitectura, se destacan dos tipos de procesadores:

MATRICIALES:

Son procesadores paralelos sincrónicos, o sea formados por una matriz síncrona de procesadores paralelos.

Existen múltiples elementos de proceso o UO supervisados por una única UC. La UC decodifica la instrucción y determina dónde se ejecuta.

Los operandos se trasmiten en paralelo entre cada UO y la memoria principal compartida.

Un ejemplo es el procesador Massively Parallel Processor o MPP.

ASOCIATIVOS:

Operan con igual modalidad que los matriciales, pero la memoria principal es CAM o asociativa, o sea se accede por contenido y no por dirección, permitiendo el acceso a numerosas palabras de la memoria simultáneamente.

Esto permite que las operaciones aritmético lógicas se efectúen sobre muchos conjuntos de argumentos en una instrucción simple.

Un ejemplo es el procesador STARAN.

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Multiprocesadores Existen n elementos de proceso de instrucción, conectados con m módulos de memoria principal a través de una red de interconexión.

Se basan en una arquitectura MIMD. Ejemplos de este tipo de procesadores: S-1:

Está construido por uniprocesadores S-1 llamados Mark IIA independientes que comparten la memoria principal conformada por bancos o módulos.

Incluye un conmutador cruzado que se encarga del manejo de las comunicaciones entre los procesadores, y controla las peticiones de acceso a memoria.

Cada procesador tiene una memoria caché privada transparente al usuario.

Además consta de varios procesadores de diagnóstico.

SISTÓLICO:

Arquitectura desarrollada por Kung.

Un sistema sistólico consiste en un conjunto de celdas conectadas entre sí en forma de matriz o de árbol.

Cada una es capaz de ejecutar una instrucción simple.

La información en este sistema fluye entre celdas en una estructura segmentada.

La comunicación con el exterior sólo es posible en las celdas fronterizas.

El procesamiento sistólico opera de manera similar a las contracciones del corazón.

Los datos se procesan rítmicamente. La memoria los impulsa al elemento de proceso, introduciéndose por un lado de la red en forma de oleadas.

Las celdas de proceso básicas son las celdas de multiplicación aditiva, construidas como matrices aritméticas sistólicas.

En general, las matrices sistólicas VLSI pueden asumir muchas estructuras diferentes de acuerdo al algoritmo de cómputo.

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09.04.Procesadores de quinta generación Las computadoras fabricadas hasta el momento están basadas en la arquitectura típica de von Neumann, filosofía de funcionamiento favorecida por los lenguajes de máquina existentes.

Con la tecnología de quinta generación aparecen las computadoras inteligentes diseñadas para procesar conocimientos en vez de datos y las computadoras de flujo de datos.

A partir de esta nueva filosofía se han construido los procesadores PSI, o el sistema DELTA, cuyas máquinas trabajan a 30 Klips, tal que 1 Lip es una inferencia lógica por segundo.

Su investigación y desarrollo se inicia en la década de 1980, existiendo varios tipos de computadoras.

Las computadoras inteligentes pretenden desviarse del procesamiento secuencial sustituyéndolo por un modo de trabajo paralelo e incorporando la búsqueda asociativa pues la operación básica es la inferencia lógica.

Enfocadas a procesar conocimientos, se las denomina KIPS o Knowledge Information Processing Systems.

Realizan inferencias o deducciones lógicas a partir de reglas o hechos almacenados en una base de conocimientos.

A su vez el lenguaje de máquina a emplear, denominado lenguaje núcleo o kernel, se basa en la lógica de predicados.

Las computadoras de flujo de datos también se basan en un concepto radicalmente diferente al propuesto por von Neumann.

Implica innovaciones en el sistema lógico a nivel programación y físico. Las instrucciones son activadas por la disponibilidad de los datos que requieran. No existe contador de programa ni flujo de control.

Las instrucciones son examinadas para detectar si los operandos están disponibles, en cuyo caso se ejecutan en cuanto la unidad correspondiente se encuentra libre. Por ello, varias instrucciones pueden ejecutarse de manera simultánea y asincrónica, logrando un alto grado de paralelismo.

El lenguaje debe permitir representar dicho paralelismo, como es el caso del VAL o Value Algorithmic Language, e ID o Irvine Dataflow.

Un programa de flujo de datos se representa mediante un diagrama de flujo donde los operadores son los nodos, y los datos son las conexiones.

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09.05.Algunas referencias comerciales COMPUTADORA CALAFIA

HARDWARE Modelo Procesador Memoria principal Dispositivo de almacenamiento Disco de alta velocidad Interconexión del sistema Dispositivo de E/S Componentes redundantes Interfaz de red

CARACTERÍSTICA Sun Fire 4800 8 procesadores ultraSPARC III 900 Mhz con 8 Mb de caché Rendimiento total 14.4 Gflops 8 Gb Sun StorEdge D240 media con: DVD-ROM, DAT y 2 discos de 18 Gb cada uno Sun StorEdge T3 Array de 324 Gb total Sun Fireplane 9.6 Gb/s 2 módulos con 8 ranuras PCI cada uno Fuente de poder, ventiladores, tarjeta controladora 10/100 Fast Ethernet

Procesador: Los procesadores UltraSPARC III son procesadores superescalares de cobre, de 64 bits en una arquitectura de mutiprocesamiento simétrico, SMP, con dos niveles de memoria caché: - Nivel 1, en el chip, de 64 Kb de datos y 32 Kb de instrucciones.

- Nivel 2, fuera del chip, de 8 Mb de datos e instrucciones.

Cada procesador provee un rendimiento de 1.8 Gflops, billones de operaciones de punto flotante por segundo. Puede crecer hasta 12 procesadores distribuidos en 3 tarjetas UCP/Memoria, 4 por tarjeta.

Memoria principal: Es de 8 Gb distribuida físicamente en 2 tarjetas UCP/Memoria, puede crecer hasta 96 Gb. Para las aplicaciones presenta una memoria plana, global compartida con un ancho de banda de 9.6 Gb/s.

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Dispositivo de almacenamiento: Se cuenta con un medio de almacenamiento de alta disponibilidad y rendimiento como el arreglo de discos Sun StorEdge T3, el cual provee una capacidad de almacenamiento total de 324 Gb. Permite hasta 9 discos de 36 Gb, con una velocidad de rotación de 10K RPM. El canal e interconexión a la Sun Fire es por fibra óptica.

Otro medio de almacenamiento con el que se dispone es el Sun StorEdge D240, que contiene 2 discos de 36 Gb, uno para el sistema operativo y otro de espejo, una unidad de CD-ROM/DVD y una unidad de cinta DAT. Su interconexión es SCSI. Interconexión del sistema: Este provee la comunicación entre las tarjetas de UCP/Memoria y los dispositivos de E/S. Es un switch de interconexión punto a punto, algo más que un simple ducto común, cuyo ancho de banda es de 9.6 Gb por segundo. Se conoce además como backplane.

El Fireplane es capaz de dividir el sistema dentro de particiones completamente aisladas y de dividir la partición dentro de dominios lógicamente aislados.

Esta presentación de generar dominios es como dividir la supercomputadora en máquinas independientes con sus propios recursos y su propio sistema operativo. Calafia está configurada con un solo dominio.

Dispositivos de entrada/salida: Presenta en su parte trasera 2 módulos de E/S con un total de 16 ranuras PCI, en donde actualmente se encuentra conectado en una de sus ranuras el Sun StorEdge T3, en otra el Sun StorEdge D240, y en otra la tarjeta de red.

Componentes redundantes: La redundancia en los componentes permite la continuidad de la operación del equipo y por ende del servicio a los usuarios. La Sun Fire 4800 se adquirió con fuentes de poder, ventiladores y tarjeta controladora redundante. En caso de que algún componente de estos falle, el sistema se puede recuperar y continuar operando sin la necesidad de reinicializar el equipo.

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< --- Sun StorEdge D240

< --- Sun StorEdge Array T3

< --- Sun Fire 4800

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ASCI PURPLE Es uno de los ordenadores diseñados por la empresa IBM en este milenio, ocho veces más rápido que el utilizado pocos años atrás por los laboratorios norteamericanos de Livermore para la simulación de ensayos nucleares, y conocido como ASCI Blue.

La máquina cuenta con 12.000 chips del tipo Power 5, que suponen 4.000 más que los usados en la anterior generación Power 4.

Sin embargo, bajo otros estándares, continúa siendo una máquina relativamente primitiva, porque requiere un espacio equivalente a dos canchas de baloncesto, y unos 190 kilómetros de cable óptico para obtener una capacidad de memoria de 50 billones de bytes.

Tiene capacidad para almacenar en memoria el equivalente de un billón de libros, mucho mayor que la de un cerebro humano, o todos los volúmenes de la Biblioteca del Congreso de Estados Unidos.

BLUE GENE/L Utilizada para la recreación de modelos climáticos y predicciones del tiempo, permite simular y reproducir huracanes, trabajando con el sistema operativo Linux. También es apropiada para el desarrollo y fabricación de medicamentos en el ámbito de la salud y la investigación del genoma humano.

El diseño de esta supercomputadora comenzó en 2000 en el marco de un proyecto de análisis de proteínas y ADN, donde la función cumplida fue la simulación de proteínas. Se presentó al mercado a fines de 2004.

Este sistema permite una configuración de 1 a 64 racks, cada uno consistente de 1024 procesadores.

La configuración de 16 racks tiene una capacidad de cálculo de 70,7 Tflops.

Puede llegar a un total de 130.000 microprocesadores de nueva generación de IBM, alcanzando un cota de procesamiento máxima de entre 360 y 460 billones de operaciones matemáticas por segundo, diez veces más que el ordenador japonés Earth Simulator.

Los científicos resaltan que, por primera vez, estas máquinas trabajan en el umbral de la capacidad de procesamiento de un cerebro humano.

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SYSTEM Z9 A comienzos de 2006, IBM anuncia esta nueva plataforma de trabajo.

System z9 Integrated Information Processor o zIIP, es un specialty engine que ejecuta cargas de trabajo de bases de datos elegibles y está diseñado para ayudar a liberar la capacidad general de computación y a reducir los costos de software para determinadas cargas de trabajo tales como Business Intelligence o BI, ERP y CRM en el mainframe.

Es un sistema diseñado para ayudar a los usuarios a actualizar, consultar, administrar, asegurar, hacer copias de resguardo, recuperar y entregar los datos a quien corresponda en tiempo confiable. zIIP es un motor de alta velocidad que centraliza mejor los datos en el ordenador.

La facilidad y la economía de esta solución ayudan a derribar los muros entre los sistemas transaccionales en el ordenador y las aplicaciones BI, ERP y CRM que se ejecutan en computadoras distribuidas.

Con la capacidad de zIIP, el mainframe del System z9 ayuda a minimizar la necesidad de mantener copias duplicadas de los datos y brindar una mejor seguridad entre las aplicaciones y los datos, disminuyendo los riesgos de tener copias múltiples de datos en distintos sistemas.

La auditoría, el cumplimiento, el control y la recuperación de negocios son más sencillos cuando existe una única copia de los datos.

Mediante el agregado de zIIP, el mainframe del System z9 auxilia a su portfolio de capacidades sofisticadas de administración de datos que surgen de su conocimiento experto y profundo del procesamiento de datos y transacciones.

IBM ha creado fuertes sinergias entre su manejador de base de datos DB2 y el sistema operativo z/OS que agregan amplios dispositivos de protección de datos tales como acceso de seguridad de niveles múltiples, administración centralizada de claves de codificación, servicios de detección de intrusiones y protección de datos almacenados en cinta. zIIP sigue estrechamente a los otros specialty engines en mainframes, tales como IFL for Linux y zAAP.

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zIIP está diseñado de manera que cualquier programa de software puede funcionar bajo z/OS para entregar cargas de trabajo al zIIP sin anticipar ningún cambio a la aplicación. z/OS es el sistema operativo flagship del mainframe, y conduce el trabajo entre el procesador general y el zIIP. DB2 PARA Z/OS En 2006, IBM anuncia la próxima versión de DB2 para z/OS que contiene principales avances para la computación de mainframes.

La próxima versión de este manejador de base de datos está diseñada para recortar significativamente los costos de la infraestructura de transacciones interactivas o IT, perfeccionar los esfuerzos para cumplir con las obligaciones y simplificar el data serving en el System z9 al brindar: -

XML mejorado e IBM WebSphere e integración Java para conexiones de SOA.

-

Trusted Security Context, roles de base de datos, mejores capacidades de auditoría y una mejor codificación para la seguridad.

-

Reemplazo rápido de tabla, partición por aumento y otros dispositivos para las aplicaciones.

-

Mejoras de SQL, procedimientos almacenados de SQL nativo, bases de datos por omisión y espacios de tabla.

IBM tiene la intención de poner a disposición general el zIIP y su software necesario en el año 2006.

La cantidad de zIIPs por z9-109 no puede exceder la cantidad de procesadores de propósito general.

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EARTH SIMULATOR Es considerada la computadora más potente existente a fines de 2002, de la firma japonesa NEC.

APPLE XSERVE G5 El cluster 1100 Xserve G5 se instaló en la Escuela Politécnica de Virginia a fines de 2004.

Cada nodo del cluster es un Apple XServe G5 con doble procesador, 4 Gb de RAM y un disco rígido S-ATA de 80 Gb. En ese momento se especulaba con que podía llegar a ser la segunda supercomputadora más rápida del mundo.

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SGI ORIGIN 3000

Es una computadora basada en microprocesadores, pudiendo expandirse hasta 1000 procesadores con diseño paralelo.

Las características de estas máquinas hacen que hasta las microcomputadoras más veloces parezcan calculadoras de bolsillo.

Está orientada a pronósticos climáticos, investigación en resistencia de materiales para la construcción y cirugía.

La computadora que se muestra tiene el tamaño de un alto gabinete de archivo.

A mediados de 2002, los científicos de la Nasa lograron aumentar aproximadamente diez veces más la velocidad de avanzadas supercomputadoras paralelas, a través de innovaciones en el software y en el diseño de la memoria.

Este salto en la potencia efectiva de la computación, junto con la información que proporcionan los satélites que observan la Tierra y la red mundial de estaciones meteorológicas, permiten lograr mayor realismo y confianza estadística en las simulaciones del clima mundial.

Ya sea que el tema esté relacionado con la trayectoria de un huracán que se aproxima o con el aumento de las temperaturas de la Tierra durante el próximo siglo, las predicciones implican siempre cierto grado de incertidumbre. Los modelos por computadora que producen las simulaciones, sin embargo, pueden ser perfeccionados de manera que sea posible reducir esta incertidumbre.

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Por ejemplo, la supercomputadora disponible en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales, en la Nasa, cuenta con 512 procesadores, cada uno de los cuales funciona a 400 MHz, con 128 Gb de memoria de acceso aleatorio, 2.800 Gb de espacio en disco, y un rendimiento pico de 409 Gflops.

Una máquina más moderna en el Centro de Investigación Ames superará incluso a la mencionada anteriormente, ya que contará con 1.024 procesadores.

La línea inferior muestra cómo el aumento en la potencia de las computadoras en Gflops normalmente disminuye de manera gradual, a medida que aumenta el número de procesadores. La línea superior muestra el rendimiento en los mismos procesadores, utilizando las herramientas de software desarrolladas a tal efecto.

Pero simplemente agregar más procesadores no garantiza un aumento proporcional en la potencia efectiva. En realidad, el máximo potencial de estas supercomputadoras paralelas aún no ha sido aprovechado. Cada nodo o procesador posee cierto rendimiento. Individualmente funcionan bien, pero a medida que se van sumando, al aumentar el número de nodos, el rendimiento total disminuye pues se requiere mayor potencia para coordinarlos, y el aumento de las comunicaciones entre todos los procesadores hace atascar el sistema.

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Durante los últimos años, los científicos del Centro de Investigación Ames de la Nasa han estado trabajando junto con el fabricante de computadoras Silicon Graphics para abordar este problema.

La primera de estas tecnologías es una estructura de memoria llamada memoria compartida de imagen única o single-image shared memory. En este diseño, toda la memoria de la supercomputadora es utilizada como un espacio de memoria continuo por todos los procesadores. Otras estructuras distribuyen la memoria entre los procesadores. Esto permite que los procesadores intercambien los mensajes necesarios para coordinar sus operaciones accediendo a este terreno común de memoria. Este esquema es más eficaz que pasar los mensajes directamente entre los procesadores, como lo hace la mayoría de las supercomputadoras paralelas.

La segunda innovación está referida al software para aprovechar la estructura de memoria. Se trata de una herramienta de diseño de software denominada paralelismo de niveles múltiples o multi-level parallelism. El software creado puede emplear el depósito común de memoria para dividir el problema por resolver, en segmentos tanto de escaso como de abundante refinamiento granular, según sea necesario, y calcular estas áreas en paralelo. El espacio de memoria única proporciona más flexibilidad para dividir el problema que otros diseños, en los cuales la memoria está físicamente repartida entre los procesadores.

La potencia adicional que estas tecnologías extraen de los procesadores ayudará a confeccionar mejores modelos del clima de la Tierra, predecir la trayectoria de huracanes o modelar una proteína humana.

Estos modelos funcionan dividiendo la atmósfera y los océanos en una rejilla tridimensional de cuadros.

En estos cuadros se les asignan valores a la temperatura, el contenido de humedad, el contenido químico, etc., y luego se calculan las interacciones entre los cuadros utilizando ecuaciones físicas y químicas.

El resultado es una aproximación del sistema real.

Al disponer de una mayor velocidad de computación, se pueden incorporar a los modelos más elementos de la física del sistema real del clima, y la atmósfera puede ser dividida en una mayor cantidad de cuadros más pequeños.

Esto permite que los modelos estén más cercanos a la realidad, y los pronósticos que produzcan contengan conclusiones más sólidas y precisas.

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10.INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS OPERATIVOS 10.01.Concepto de sistema operativo Primer definición: Un SISTEMA OPERATIVO es un conjunto de programas que actúa como intermediario entre el usuario y el hardware de la computadora.

El propósito de un sistema operativo es dar un entorno en el que los programas de usuario puedan ser ejecutados de manera eficiente y simple.

No desempeña ninguna función útil por sí solo; se limita a crear un ámbito dentro del cual otros programas pueden realizar un trabajo provechoso.

Debe garantizar el funcionamiento correcto del sistema informático.

A su vez, el hardware debe aportar los mecanismos adecuados para que el sistema operativo pueda cumplimentar dichos controles, evitando que los programas de usuario interfieran con su operatoria.

El sistema operativo ofrece ciertos servicios a los sistemas de aplicación y a los usuarios con el fin de facilitar la tarea de programación.

El sistema operativo es un gestor de recursos: -

Asigna y coordina el uso del hardware y componentes de software, entre los diversos programas de aplicación de los usuarios.

Controla los diversos dispositivos de entrada/salida, programas de usuario, y demás componentes, a fin de evitar errores y el uso incorrecto de la computadora, logrando el aprovechamiento óptimo de los recursos de cómputo.

Como se puede comprobar, es más fácil definir un sistema operativo por lo que hace que por lo que es.

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Los sistemas operativos modernos son del tipo controlado por interrupciones ya que a través de este mecanismo los programas de aplicación pueden comunicarse con él y efectuar sus requerimientos.

Por ello, a continuación se aporta una segunda definición: Un SISTEMA OPERATIVO es un conjunto de programas controlado por acontecimientos externos, es decir por interrupciones.

10.02. Programa de arranque Para que una computadora comience a funcionar, requiere de un primer programa.

El programa inicial suele ser sencillo y por lo tanto, está compuesto por pocas instrucciones.

El PROGRAMA DE ARRANQUE o BOOTSTRAP asigna valores iniciales a todos los aspectos del sistema informático, desde los registros del procesador hasta los controladores de dispositivos y el contenido de memoria, poniendo en marcha el sistema.

Este programa debe saber cómo cargar ciertos módulos básicos del sistema operativo en la memoria central y transferir el control para que la UCP comience la ejecución de un proceso que se comunique con el usuario a fin de satisfacer sus requerimientos.

Para lograr este objetivo, el PROGRAMA DE ARRANQUE localiza el núcleo del sistema operativo a partir de una dirección preestablecida en un dispositivo de sistema, lo carga en memoria, e inicializa el Registro de Estado con la Palabra de Estado asociada a este proceso.

Esto permite a la UCP ejecutar el núcleo del sistema operativo que activa un proceso denominado genéricamente INIT, cuya función es esperar que ocurra alguna solicitud o suceso, normalmente indicado mediante una interrupción, y cumplimentarlo.

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Ahora: ¿Cómo inicia el procesador el ciclo de ejecución de la primera instrucción cuando la computadora se enciende?

O bien: ¿Cómo hace la UCP para comenzar la ejecución del BOOTSTRAP? Hay diversas formas de implementarlo y depende de la arquitectura de la computadora y su complejidad.

Un diseño sencillo se logra mediante la utilización de memoria ROM donde alojar el PROGRAMA DE ARRANQUE, garantizando que al encender la computadora ya se halla almacenado en memoria central la imagen de memoria asociada a ese proceso.

En cuanto a la inicialización del Registro de Estado con la Palabra de Estado asociada a este proceso, puede realizarse mediante el uso de un registro ROM que la mantenga almacenada de forma no volátil en algún Registro de Uso Interno de la UCP, de manera que al encender la computadora, se transfiera al Registro de Estado con un mecanismo electrónico inicial por hardware.

El problema surge cuando se desea modificar este PROGRAMA DE ARRANQUE. Por esta razón, casi todos los sistemas guardan un diminuto PROGRAMA CARGADOR de carga inicial de PROGRAMA DE ARRANQUE en esa área ROM de memoria.

La única tarea de este PROGRAMA CARGADOR es traer desde un dispositivo de almacenamiento masivo el PROGRAMA DE ARRANQUE completo que está almacenado en una posición fija denominada bloques de arranque, y transferir el control para su ejecución.

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10.03. Generación de sistemas o Sysgen y proceso de instalación o Install Un sistema operativo se diseña para poder administrar computadoras con diferentes recursos, o sea con la amplitud de ser ejecutado en cualquier máquina de una clase dada, con independencia de los componentes específicos de cada una.

Por eso, en la fase inicial de armado, la computadora se implementa con un sistema operativo reducido como para que pueda comenzar a trabajar, almacenado en un área prefijada de un dispositivo removible, por ejemplo disquete, disco removible o cinta magnética.

Este sistema operativo mínimo presupone administrar sólo los recursos elementales posibilitando que ejecute en cualquier equipo.

Pero es muy probable que no reconozca todos los recursos del sistema informático sobre el que está corriendo.

De allí la utilidad del generador de sistemas.

El proceso de GENERACIÓN DE SISTEMAS o SYSGEN es el encargado de configurar o generar el sistema operativo a medida de la instalación.

Este proceso solicita al operador, información relativa a la configuración específica del hardware y otros parámetros asociados, o directamente sondea para determinar los componentes existentes, y produce una versión ejecutable del sistema operativo adaptada al sistema descripto, denominado núcleo del sistema operativo o kernel.

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Existen diferentes procedimientos para la construcción de un sistema operativo a medida cuyos enfoques varían dependiendo del costo, tamaño, generalidad y facilidad de modificación futura al cambiar la configuración.

En términos globales, algunas de las características requeridas son nombre del sistema, tipo y cantidad de procesadores, capacidad de memoria principal, uso de memoria caché, periféricos de entrada/salida incluyendo detalle sobre los controladores y canales correspondientes, y opciones adicionales concernientes a la gestión.

Una vez generado el sistema operativo, debe ubicarse a disposición del PROCESO DE ARRANQUE o BOOTSTRAP. El PROCESO DE INSTALACIÓN o INSTALL es el encargado de grabar el sistema operativo adaptado a la configuración del sistema informático, en un área previamente establecida de un dispositivo de almacenamiento masivo.

El proceso BOOTSTRAP accede a estas posiciones de dicho dispositivo para cargar el núcleo del sistema operativo cuando la computadora arranca.

Se pueden generar tantos núcleos de sistema operativo como diversidad de requerimientos se desee que administre.

Esto implica que si se incorporan al sistema informático nuevos componentes, ya sea de hardware o software, puede ser necesario generar un nuevo núcleo, y por ende, una nueva instalación.

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10.04.Modos de procesamiento: batch o por lotes, interactivo y tiempo real Existen tres modos de procesamiento: BATCH o POR LOTES INTERACTIVO TIEMPO REAL Un modo de procesamiento BATCH o POR LOTES es aquel en que el usuario no puede comunicarse o relacionarse con el trabajo durante su ejecución, o sea, debe esperar a que finalice el proceso para obtener una respuesta.

Un sistema en modo INTERACTIVO permite la comunicación entre el usuario y el sistema.

En este modo, los procesos dialogan con el usuario.

Un sistema trabaja en TIEMPO REAL cuando los requisitos de tiempo de la operación de un procesador o del flujo de datos son estrictos. En este modo, el procesamiento debe efectuarse dentro de intervalos muy definidos, con restricciones de tiempo de respuesta fijas y acotadas, o el sistema falla.

Se considera que un sistema de tiempo real está funcionando satisfactoriamente sólo si produce el resultado correcto dentro de los lapsos de tiempo estipulados.

Generalmente trabaja con un sistema operativo de propósito especial y una aplicación dedicada, por ejemplo, un sistema de control de experimentos científicos o industriales, inyección de combustible para motores, producción de imágenes médicas, controladores de aparatos domésticos o naves espaciales.

Los requisitos de un sistema en TIEMPO REAL contrastan con un sistema en modo INTERACTIVO. En este último es deseable, pero no obligatorio, responder rápidamente pues los tiempos humanos son más amplios y flexibles.

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10.05.Monoprogramación, multiprogramación y multiprocesamiento Un sistema trabaja en MONOPROGRAMACIÓN cuando el procesador ejecuta un proceso por vez, o sea, desde su comienzo hasta su finalización, existe un único programa de usuario en ejecución con control absoluto sobre la UCP. La MONOPROGRAMACIÓN limita a la computadora a operar con un solo proceso por vez.

En este entorno de ejecución, la UCP está inactiva con frecuencia.

Esto ocurre porque los dispositivos de entrada/salida electrónicos tienen siempre algún componente mecánico que los hace intrínsecamente más lentos.

La diferencia de velocidad entre el procesador y los periféricos de entrada/salida puede ser de tres órdenes de magnitud o más.

De allí la utilización de los canales, componentes con capacidad de procesamiento autónomo, dedicados a la transferencia de información entre los periféricos y la memoria principal, liberando al procesador de esta tarea.

Por otro lado, todo proceso consta de un tiempo de uso de UCP donde se ejecutan sus instrucciones y un tiempo de entrada/salida para acceder a los datos relacionados con los operandos, a cargo del canal correspondiente.

En consecuencia, cuando un proceso solicita una entrada/salida, la UCP le pasa la orden al canal para realizar la operatoria solicitada, y el proceso queda en suspenso sin poder continuar hasta la finalización de dicha transferencia.

Esto genera tiempo ocioso a la UCP pues, si bien está libre de ejecutar esta acción, no puede continuar con el proceso asociado porque el mismo se encuentra a la espera de la finalización de la entrada/salida.

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La existencia de este tiempo ocioso por parte del procesador y la espera de un proceso dado, permite incorporar la noción de MULTIPROGRAMACIÓN. La idea es la siguiente.

El sistema operativo puede administrar varios procesos simultáneamente de acuerdo a la solicitud de los usuarios.

Cada programa en ejecución tiene su Palabra de Estado asociada.

En un momento dado, el planificador de procesos escoge uno, y el despachador o dispatcher se encarga de efectuar la conmutación de contexto, o sea, carga en el Registro de Estado la Palabra de Estado asociada al mismo, pasándole el control de la UCP permitiendo que el proceso seleccionado ejecute sus instrucciones.

En algún punto, este proceso requiere una operación de entrada/salida.

Esta instrucción provoca una interrupción solicitando que un módulo del sistema operativo tome el control del procesador para que dé las órdenes al canal, quedando el proceso en espera.

Luego, mediante el mecanismo de atención de interrupción, se pasa el control de la UCP al planificador de procesos, que selecciona otro de los que se encuentran en estado de listos.

A su vez, cuando ese trabajo necesita esperar algún suceso, la UCP se conmuta a otro, y así de seguido.

El canal avisa, mediante una interrupción, la finalización de la transferencia de datos solicitada.

En este caso, la rutina de atención de interrupción se encarga de modificar el estado del proceso que había requerido la operación de entrada/salida, pasándolo de estado de espera a estado de listo, para competir por el uso del recurso UCP nuevamente.

En tanto haya procesos en estado de listos, el procesador no está ocioso.

De no haber ninguno, el control de la UCP pasa al sistema operativo.

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Un sistema trabaja en MULTIPROGRAMACIÓN cuando existen varios procesos en ejecución compitiendo por el uso de la UCP. Varios procesos compiten por el uso del recurso procesador, pero en un instante dado, sólo se está ejecutando una instrucción de uno de dichos procesos.

La ejecución de las distintas instrucciones se da en forma concurrente, no simultánea.

En este sistema, existe un solo procesador que contiene un único Registro de Instrucción.

Corresponde a la modalidad de procesamiento tradicional de flujo de instrucciones y flujo de datos denominada SISD o Single Instruction Single Data.

La ejecución en concurrencia de múltiples procesos requiere una administración de los recursos por parte del sistema operativo: planificación de procesador, administración de memoria y gestión de entrada/salida que incluye planificación de dispositivos, gestión de almacenamiento masivo, gestión de abrazo mortal, control de concurrencia, protección y seguridad.

Se denomina TIEMPO COMPARTIDO o MULTITAREA al sistema que opera en MULTIPROGRAMACIÓN y es INTERACTIVO. En este entorno, múltiples trabajos se ejecutan conmutando la UCP entre ellos, pero esta conmutación es tan frecuente que los usuarios pueden interactuar con el programa durante su ejecución.

El usuario introduce una orden, y espera los resultados en un tiempo de respuesta corto por parte del sistema informático.

No necesita que el proceso finalice para obtener una respuesta por parte del programa, es más, puede mantener un diálogo con el proceso en cuestión.

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El MULTIPROCESAMIENTO permite que varias instrucciones sean ejecutadas a la vez, o sea, en forma simultánea. Este sistema trabaja en paralelo.

El paralelismo es la ejecución simultánea de distintas instrucciones de programas, o la descomposición de una instrucción en diversas partes y su ejecución simultánea.

Esta modalidad de procesamiento está motivada por la necesidad de un incremento continuo de la potencia de cálculo, y ha sido analizada en el capítulo sobre computadoras de altas prestaciones.

Como resumen, se dispone de tres recursos que explotan o refuerzan el paralelismo y dan origen a tres tipos de computadoras de acuerdo a su arquitectura: DE SEGMENTACIÓN o PIPE-LINE: Computadora del tipo MISD. Corresponde a un sistema centralizado o uniprocesador.

Enfatiza la ejecución solapada o en cadena de instrucciones.

Favorece el encadenamiento del proceso y la superposición o solapamiento en la ejecución de las partes en que se descompone una instrucción.

MATRICIAL o ARRAY:

Computadora del tipo SIMD. Corresponde a un sistema centralizado o uniprocesador.

Emplea diversas unidades funcionales aritmético-lógicas.

Dirigida al uso sincronizado de dichas unidades funcionales.

MULTIPROCESADOR:

Computadora del tipo MIMD. Se implementa en un sistema distribuido.

Admite diferentes flujos de instrucciones que son tratados por un conjunto de procesadores, y múltiple flujo de datos.

Existe arquitectura mixta que combina las tres técnicas mencionadas.

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10.06.Componentes de un sistema operativo Se ha mencionado que un sistema operativo es un gestor de los recursos del sistema.

Para ello, cuenta con distintos subsistemas de acuerdo a los recursos que administra, con funciones cuidadosamente definidas.

A continuación se detallan.

Gestión de procesos Este subsistema está compuesto por diversos módulos que se encargan de las funciones siguientes: -

Crear y eliminar procesos tanto de usuario como del supervisor.

Suspender y reanudar procesos.

Planificar el uso del recurso procesador a través del módulo denominado planificación de procesos.

Conmutar contexto a través del proceso despachador o dispatcher.

Proveer mecanismos para la sincronización de procesos.

Ofrecer mecanismos para manejar bloqueos mutuos o deadlocks.

Gestión de memoria principal Existen diversos módulos relacionados a la administración de la memoria principal, cuyas funciones son: -

Saber qué parte de la memoria está siendo utilizada por los diversos procesos y a cuáles corresponden, y qué disponibilidad existe a cada instante.

Definir una política de administración del recurso memoria y aplicarla.

Por ejemplo, mediante la técnica de segmentación, paginación, o memoria virtual paginada.

Decidir qué procesos se cargan en la memoria cuando se dispone de espacio.

Asignar y liberar espacio de memoria según se requiera.

Coordinar el uso de intercambio o swapping.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 10 ----------------- 165

Gestión de archivos Los diversos módulos de este subsistema tienen por finalidad: -

Crear y eliminar archivos.

Proveer las primitivas para manipulación de archivos de los diversos métodos de acceso.

Administrar el directorio, o sea, catalogar archivos en cada dispositivo y mantener un catálogo general, estableciendo una correspondencia entre los archivos y el almacenamiento secundario.

Gestión del sistema de entrada/salida Uno de los objetivos de un sistema operativo es desligar al usuario de las peculiaridades de los distintos dispositivos de hardware, y para ello cuenta con los siguientes módulos: -

Gestor de memoria que incluye el uso de buffers, memoria caché y spool.

Interfaz general con los controladores de dispositivos.

Controladores de software o drivers para dispositivos de hardware específicos.

Gestión de almacenamiento masivo o secundario Con respecto a este componente, el sistema operativo se encarga de las siguientes actividades: -

-

-

Administrar el espacio libre mediante la gestión de espacio libre.

Este gestor administra los bloques físicos libres y ocupados de cada uno de los dispositivos.

Se implementa con mapa de bits o bitmap, tabla de bloques libres o lista enlazada de bloques libres.

Asignar espacio a cada archivo a través de los métodos de asignación de espacio.

Los métodos de asignación de espacio hacen referencia a dónde está físicamente un archivo dentro de un dispositivo.

Algunas posibilidades son asignación contigua, por tabla, contigua de a tramos, y enlazada.

Planificar el uso de cada dispositivo entre las diversas entradas y salidas de los procesos.

Dar formato a los dispositivos y manipular los bloques defectuosos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 10 ----------------- 166

Gestión de fiabilidad Refiere al mecanismo de control contra daños físicos que puedan sufrir los datos.

Ejemplos: Recuperación de caídas basado en resguardo general combinada con la técnica de bitácora inmediata o diferida, uso de discos espejados.

Gestión de protección Refiere al mecanismo de control de acceso a los recursos del sistema por parte de procesos y usuarios.

Es una limitación contra el acceso indebido y al ser un problema de entorno interno del sistema informático, puede ser manejado por el sistema operativo o el sistema manejador de base de datos.

Ejemplos: Implementación de lista de control de acceso ACL por recurso, detallando usuarios y sus permisos; por usuario, detallando recursos y sus permisos; ambas posibilidades.

Gestión de seguridad Es una medida de confianza de que la consistencia de la información será preservada y garantiza contra un acceso mal intencionado.

Al ser un problema de contexto informático o sea el entorno externo al mismo, debe ser controlado por afuera del sistema operativo o el sistema manejador de base de datos ya que ambos sólo pueden brindar una aplicación a las herramientas que se definan desde el exterior.

Ejemplos: Utilización de claves por usuario; cifrado de los datos.

Gestión de integridad Refiere a la prevención contra la pérdida accidental de la consistencia de los datos.

Incluye control de concurrencia y restricciones de integridad.

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CONTROL DE CONCURRENCIA Apunta a conservar la consistencia de la información contra anomalías en la secuencia de acceso a los mismos.

Ejemplos: Manejo de semáforos; monitores; alguna variante de la técnica de candados que evitan la paralización; misma técnica con la restricción de liberar los candados al finalizar la transacción, para eliminar los retrocesos en cascada en caso de deshacer una operación.

RESTRICCIONES DE INTEGRIDAD Garantizan que los accesos por usuarios autorizados no resulten en pérdida de la consistencia de la información. Son limitantes que deben cumplir los datos contenidos en el sistema de archivos.

Esta gestión está a cargo del manejador de base de datos.

Las restricciones se definen en los esquemas al indicar las características propias de cada atributo o mediante controles procedurales programados.

Gestión de teleinformática Este módulo administra los sistemas distribuidos débilmente acoplados.

Normalmente se implementa como una extensión de los otros gestores.

Gestión de mantenimiento Se encarga de administrar información general: -

Establecer e informar fecha y hora.

Establecer e informar parámetros del sistema.

Establecer o informar atributos de los recursos, ya sea, proceso, archivo o dispositivo.

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Gestión contable El sistema operativo puede brindar información estadística y contable al usuario. Esta contabilidad sirve para facturar el servicio de cómputo a los usuarios y almacenar datos estadísticos sobre el uso de los recursos.

Este gestor ofrece una herramienta valiosa al momento de reconfigurar el sistema a fin de optimizar el sistema informático.

Gestión de interpretación de órdenes Uno de los programas del sistema operativo más visibles es el intérprete de comandos o de órdenes, que es la interfaz entre el usuario y el supervisor.

Normalmente este gestor recibe el nombre de shell.

Muchos de los requerimientos que el usuario da al sistema operativo se ingresan a través de comandos o enunciados de control.

Para ello, debe existir un proceso que lea cada orden, la decodifique y llame al procedimiento correspondiente para que se cumplimente esa solicitud del usuario.

Cuando un usuario ingresa en un sistema interactivo, se ejecuta automáticamente este programa que lee e interpreta estos enunciados de control.

La función del shell es obtener la siguiente orden y ejecutarla.

Existen dos modalidades de implementar esta gestión. .

Intérprete de comandos de línea: El usuario teclea la orden y ésta se exhibe en pantalla o terminal impresora.

La tecla enter o return indica fin de comando.

Utilizado por ejemplo por el sistema operativo UNIX o MS-DOS.

.

Intérprete gráfico: Es una interfaz mediante un sistema de ventanas y menús basado en ratón.

Utilizado por ejemplo por el sistema operativo Macintosh o Microsoft Windows.

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11.GESTIÓN DE MEMORIA 11.01.Introducción – Espacio de direcciones físico y lógico La memoria principal es un recurso cuya estructura y administración deben ser optimizadas para permitir un mejor rendimiento del sistema informático en su conjunto.

Esto depende de diversos factores tanto del diseño del hardware como del soporte del sistema operativo.

Existen muchas técnicas de gestión de memoria que se han ido perfeccionando a través del tiempo.

De acuerdo a lo ya visto, la memoria es una gran matriz de bytes, agrupados en palabras, cada uno con su propia dirección.

El procesador obtiene de la memoria, ya sea instrucciones según el valor contenido en el Registro de Próxima Instrucción, o datos referidos a una cierta dirección. En ambos casos la dirección se almacena en el Registro de Dirección para poder operar sobre la memoria.

ESPACIO DE DIRECCIONES LÓGICO Y FÍSICO Una dirección generada por la UCP se denomina dirección lógica, en tanto que la recibida por los decodificadores de dirección de la memoria es la dirección física.

Las imágenes de memoria de los programas reubicables producen un entorno en donde las direcciones lógicas y físicas difieren.

El conjunto de las direcciones lógicas generadas por un programa es su espacio de direcciones lógico.

El conjunto de las direcciones físicas, correspondientes a esas direcciones lógicas del programa, es su espacio de direcciones físico.

La transformación de direcciones lógicas a físicas la realiza un componente del hardware denominado unidad de gestión de memoria o MMU que pertenece al procesador. Para ello utiliza la dirección lógica suministrada y la información almacenada en el Campo Reubicación de la Palabra de Estado.

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11.02.Superposición u overlay – Intercambio o swapping Para que la imagen de un proceso pueda ser mayor que la cantidad de memoria asignada puede emplearse la técnica de SUPERPOSICIÓN u OVERLAY, manteniendo en memoria sólo las instrucciones y datos que se necesitan en un momento dado. Cuando se requieren otras instrucciones del mismo proceso, se cargan en el espacio que antes estaba ocupado por las que ya no son necesarias.

Un ejemplo sencillo es considerar el ensamblador de dos pasadas. Mientras se están ejecutando instrucciones del primer módulo no se utilizan las del segundo módulo, y viceversa. Así se puede colocar en el mismo espacio de direcciones el código de la pasada dos después de haber sido ejecutada la pasada uno.

Para implementar esto, el programador sólo necesita añadir un pequeño módulo de control de superposiciones dentro del programa, sin necesidad de soporte especial por parte del sistema operativo al momento de ejecución.

Un requisito es que tanto compilador como vinculador generen código modular permitiendo que el conjunto de procedimientos asociados a un mismo espacio de direcciones tengan la misma dirección base.

Cabe destacar que esta técnica requiere de trabajo de programación y ha sido superada por otros métodos de optimización del recurso memoria.

INTERCAMBIO O SWAPPING Un proceso tiene que tener su imagen en memoria para ejecutar sus instrucciones. Pero podría transferirse temporalmente de la memoria a un almacenamiento auxiliar, liberando dicho espacio, mientras no hace uso del procesador, y traerse cuando continúa haciéndolo.

El procedimiento de intercambio requiere un almacenamiento auxiliar, comúnmente un disco rápido, y el soporte del supervisor.

Esta técnica presenta varias restricciones.

Una de ellas es el gasto extra de tiempo de acceso al dispositivo que conlleva.

Además, al intercambiar una imagen debe asegurarse de que el proceso esté inactivo totalmente, en particular que no tenga una entrada/salida pendiente si esta operación utiliza memoria de usuario.

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11.03.Asignación contigua Un enfoque elemental de administración de memoria compartida consiste en dividirla en particiones, cada una de las cuales puede alojar una imagen de programa distinta.

En estas particiones se ubican tanto el sistema operativo como los procesos de usuario.

Estas particiones pueden ser fijas, en cuyo caso ya vienen prefijadas de fábrica, o variables.

El sistema operativo mantiene una tabla de disponibilidad que indica cuáles partes de la memoria están libres y cuáles ocupadas.

A medida que los procesos ingresan al sistema, el módulo de gestión de memoria le asigna una partición, el programa ejecutable se carga en dicho espacio, y el proceso puede competir por el uso del procesador.

Al finalizar, se libera ese espacio para que pueda ser utilizado por un nuevo proceso, actualizando la tabla de disponibilidad.

El Campo Reubicación indica la dirección de inicio de la partición y la longitud de la imagen.

La transformación de dirección lógica a física es sencilla. Primeramente se controla que el valor de la dirección lógica sea menor o igual que la longitud de la imagen. De ser correcto, a la dirección lógica se le suma la dirección de inicio, obteniendo la dirección física.

Si se implementa un algoritmo de particiones fijas, puede haber fragmentación interna cuando la imagen es más chica que la partición asignada.

Se produce fragmentación externa si se cuenta con suficiente espacio de memoria total para satisfacer una solicitud pero el espacio no es contiguo.

Esta situación se da cuando trabajando con particiones fijas y habiendo espacio disponible, una imagen no entra en ninguna partición pero de haber podido alojarse en más de una libre, el espacio hubiera sido asignado, facilidad de que no dispone el algoritmo.

Con particiones variables este problema puede resolverse mediante la compactación. El objetivo de este procedimiento es desplazar el contenido de la memoria hasta tener todo el espacio libre junto en una sola fracción. Esto es posible si todos los programas operan con direcciones reubicables dinámicas. De todas maneras, el tiempo de este procedimiento degrada el funcionamiento del sistema.

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11.04.Paginación Esta técnica soluciona el problema de la fragmentación externa permitiendo que el espacio de direcciones lógico de un proceso no sea contiguo. Se puede asignar memoria física a un proceso siempre que haya disponibilidad.

La memoria física se divide en bloques de longitud fija denominados marcos o frames. Diseñados al momento de su fabricación, su tamaño es potencia de 2 para facilitar la conversión de direcciones.

La memoria lógica se divide también en bloques del mismo tamaño llamados páginas.

Esta tarea está a cargo del compilador, y los sucesivos procedimientos de vinculación y carga operan con ellas.

El sistema mantiene una tabla de marcos, la cual tiene para cada marco, una entrada en la que se indica si está libre u ocupado, y de ser asignado, a qué proceso se concedió.

Además para cada proceso el sistema administra una tabla de páginas, guardada en el Campo Reubicación de la Palabra de Estado. Todo acceso a la memoria por parte del proceso debe pasar por su tabla.

Cada entrada, de 0 a (n - 1), de esta estructura almacena el número de marco asociado a dicha página, habiendo n páginas en la imagen de ese proceso.

La dirección generada por el procesador se divide en dos partes, un número de página y un desplazamiento dentro de esa página.

El primer valor está almacenado en las posiciones más significativas de la dirección, mientras que el segundo ocupa los bits menos significativos, tantos como para representar los posibles valores dentro de la página.

El número de página de una dirección dada se utiliza como índice de la tabla de páginas asociada a dicho proceso, que contiene el número de marco asignado. Sólo se necesita reemplazar el número de página por el número de marco correspondiente para obtener la dirección física. Este procedimiento está a cargo del hardware.

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La implantación en hardware de la tabla de páginas del proceso que hace uso del procesador, puede realizarse de varias maneras.

La estructura más sencilla es un conjunto de registros dedicados construidos con circuitos lógicos de alta velocidad.

Cuando la tabla es muy grande, ésta debe mantenerse en memoria principal y el Campo Reubicación del procesador sólo contiene un registro base de la tabla de páginas. El tiempo de conmutación de contexto se reduce pero cada acceso a memoria requiere de dos acciones sobre ella.

La solución es utilizar registros asociativos, buffers de traducción de mirada rápida o TLB, en una memoria caché asociativa. Puede ocurrir que estos registros contengan sólo algunas entradas de la tabla de páginas, siendo la tasa de aciertos el porcentaje de veces que un número de página se encuentra en ellos.

Si dicho número está en un registro asociativo, su número de marco se obtiene de inmediato, sino se requiere hacer una referencia a la tabla de páginas en memoria como en el diseño anterior.

En un entorno paginado, la protección de la memoria se logra con bits de protección vinculados a cada marco de la tabla de páginas.

Se puede indicar si la página es de sólo lectura, o lectura y escritura, con un solo bit, pudiendo ampliarse la estrategia a otras posibilidades, sólo ejecución, por ejemplo.

Cuando la longitud de la tabla de páginas es fijo, debe añadirse un bit de validez en cada entrada de la tabla.

Algunos sistemas cuentan con un registro de longitud de la tabla de páginas que permite diseñar tablas de longitud variable, eliminando el desperdicio que implica la estructura fija.

La paginación brinda la posibilidad de compartir código común entre los procesos a través de las páginas compartidas, pudiendo hacer uso de programas reentrantes.

El código reentrante o puro es código que no puede modificarse a sí mismo, o sea no cambia durante su ejecución. Este programa cuenta con un diseño tal que distingue entre el área de instrucciones y la de datos, permitiendo que dos o más procesos que ejecutan el mismo programa compartan dicha área de código.

Esto optimiza los sistemas que dan servicio a múltiples usuarios que realizan la misma tarea.

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11.05.Segmentación La paginación es una técnica de administración de memoria donde cada división del programa es fija sin corresponderse con su lógica.

La segmentación es un esquema de gestión de memoria apoyado en la visión que el usuario tiene del programa. El programador lo escribe como un programa principal con una serie de módulos, subrutinas, procedimientos o funciones, y diversas estructuras de datos, que tienen un nombre que los identifica y una longitud que les es propia.

Así, un espacio de direcciones lógico es un conjunto de segmentos, cada uno de los cuales tiene un nombre y una longitud.

Cada dirección especifica tanto el nombre del segmento como la distancia dentro del segmento. Para ello sólo se necesita indicar dos cantidades, número de segmento y desplazamiento.

Esto se implementa a través de la tabla de segmentos para cada proceso. Cada elemento contiene un par de direcciones, una dirección base del segmento y un límite. El primero indica la dirección física inicial donde reside el segmento, mientras que el segundo especifica la longitud.

La dirección lógica se divide en dos partes, un número de segmento y un desplazamiento dentro de ese segmento.

El primer valor está almacenado en las posiciones más significativas de la dirección, mientras que el segundo ocupa los bits menos significativos, tantos como para representar el tamaño máximo que puede tener un segmento en el sistema.

El número de segmento de una dirección dada sirve como índice para acceder a la tabla de segmentos asociada a dicho proceso. Para obtener la dirección física, se controla que el desplazamiento de la dirección lógica no supere el límite. Si el desplazamiento es válido, se suma a la base del segmento. Este procedimiento está a cargo del hardware.

La tabla de segmentos puede implantarse de diversas maneras con diseños similares a los estudiados para la tabla de páginas.

En cuanto a la protección y posibilidad de compartir código ocurre lo mismo con la ventaja específica de poder asociar la protección a los segmentos.

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11.06.Segmentación paginada y paginación segmentada Es posible un diseño combinado de paginación y segmentación.

En términos generales, se analiza ambas opciones.

En un entorno de gestión de memoria con SEGMENTACIÓN PAGINADA, la memoria está dividida en marcos.

El programa se segmenta, paginándose cada uno de dichos segmentos.

Cada entrada de la tabla de segmentos de un proceso contiene la dirección base a la tabla de páginas de dicho segmento, y la longitud del segmento.

La estructura de la dirección lógica es similar a la técnica de segmentación.

Al momento de obtener la dirección física, el número de segmento de la dirección lógica apunta a la tabla de páginas de dicho segmento. Una vez obtenida la tabla de páginas correspondiente, el desplazamiento del segmento se desglosa en número de página y desplazamiento dentro de dicha página, realizándose un procedimiento igual al de la técnica de paginación.

En un entorno de gestión de memoria con PAGINACIÓN SEGMENTADA o paginación multinivel, la memoria está dividida en marcos.

La tabla de páginas se segmenta para permitir su fraccionamiento y poder almacenarla más fácilmente cuando el espacio de direcciones lógico es muy grande.

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11.07.Memoria virtual La memoria virtual es una técnica que permite ejecutar procesos cuyas imágenes podrían no estar totalmente en la memoria. Este esquema es transparente al usuario.

Una ventaja elemental es que los programas pueden ser más grandes que la memoria física existente.

Pero además, hace una abstracción de la memoria al considerarla una matriz uniforme y extremadamente extensa de almacenamiento, separando la memoria lógica que el usuario ve, de la memoria física.

Una implementación habitual es la paginación por demanda pero puede trabajarse también en base a la segmentación.

En un sistema de paginación por demanda, la imagen del proceso reside en memoria secundaria, normalmente en disco, pero cuando se están ejecutando sus instrucciones, se pasa por intercambio a la memoria principal. Sin embargo no es necesario transferir toda la imagen, usándose un intercambiador perezoso tal que, en términos generales, nunca coloca una página en memoria si no se la va a requerir. En realidad no se trata de un intercambiador sino de un proceso paginador que se ocupa de las páginas individuales de un proceso dado.

Cuando una imagen se lleva a memoria, el paginador analiza cuáles son la páginas que se usan en ese momento, evitando ubicar en memoria páginas inútiles, con lo que se reduce el tiempo de intercambio y el espacio de memoria física utilizado.

El hardware que apoya la paginación por demanda es igual al de la paginación y el intercambio, pero se agrega soporte por parte del software.

La tabla de páginas necesita una información adicional para distinguir entre las páginas que están alojadas en memoria y las que residen en disco.

Esto puede resolverse mediante un bit de validez.

Cabe señalar que si una página está marcada como no válida pero no se hace referencia a ella, no tiene efecto alguno sobre el proceso. Mientras éste accede a páginas residentes en memoria, la ejecución se realiza normalmente.

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REEMPLAZO DE PÁGINAS El acceso a una página marcada como no válida causa una interrupción por fallo de página o page default.

Un aspecto crucial de la arquitectura es la necesidad de poder reiniciar una instrucción después de un fallo de página ya sea producido al obtener la instrucción o mientras se está accediendo a algún operando después de la decodificación.

El inconveniente de reiniciar una instrucción en curso reside en que debe garantizarse que los datos leídos no sean modificados entre el intento de ejecución y su reinicio. Una solución es controlar que todas las páginas que la instrucción invoca se encuentren en memoria antes de ser ejecutada.

Puede generarse inconsistencia al momento de la grabación de un dato. Este error puede salvarse mediante el empleo de registros temporales para guardar valores de las posiciones que se sobreescriben.

Un problema de diseño similar se presenta con las instrucciones de auto incremento o auto decremento.

Otra dificultad a tener en cuenta es que al aumentar el grado de multiprogramación, puede llegar a suceder que al producirse un fallo de página, no existan marcos disponibles para cargar la página solicitada.

En este caso, la mejor solución es incluir un procedimiento de reemplazo de páginas.

Un fallo de página genera la secuencia que se detalla a continuación, teniendo en cuenta las aclaraciones siguientes: -

-

La secuencia de atención por fallo de página detallada presupone trabajar con un sistema que al producirse una interrupción ya queda explícito el motivo.

El paso 04.b.2 puede reducirse empleando un bit de modificación o bit sucio asociado a la página.

De no producirse modificaciones en la página desde que se llevó a memoria principal, este bit está apagado e indica que se puede evitar el procedimiento de escritura a disco.

El paso 04.b.2 de operación de entrada/salida debe incluir los mismos procedimientos desarrollados en los pasos 05 a 09, con la diferencia que la orden es de grabación.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 11 ----------------- 179

01.

02.

Interrupción o trampa al sistema operativo por fallo de página.

Preservar la Palabra de Estado y el resto de los registros asociados al proceso interrumpido.

Cargar la Palabra de Estado asociada a la rutina de atención de interrupción por fallo de página.

03.

Verificar la validez de la referencia a la página.

En caso de error, mediante una interrupción, invocar al procedimiento de cancelación del proceso.

04.

Hallar un marco libre que implica una de las posibilidades a o b: 04.a. Si hay alguno libre, usarlo.

04.b.1. Si no, ejecutar un algoritmo de reemplazo de páginas para escoger un marco víctima.

04.b.2. Grabar la página víctima en disco.

04.b.3. Modificar la tabla de marcos y la tabla de páginas del proceso cuya página fue desalojada.

05.

Leer del disco la página solicitada al marco liberado: 05.1. Llamar al módulo de control de entrada/salida del sistema operativo.

05.2. Esperar en una cola asociada a este dispositivo hasta que se atienda la solicitud de lectura.

05.3. Esperar durante el tiempo de búsqueda y rotación o latencia del disco.

05.4. Transferir la página desde el disco al marco indicado.

06.

Durante los pasos 05.2 al 05.4, asignar el procesador a algún otro proceso: 06.1. Ejecutar el módulo del sistema operativo que planifica el uso de UCP. 06.2. Conmutar contexto.

06.3. Ejecutar instrucciones del proceso seleccionado.

07.

Interrupción por fin de entrada/salida del dispositivo del paso 05.

08.

Preservar la Palabra de Estado y el resto de los registros asociados al proceso interrumpido.

Cargar la Palabra de Estado de la rutina de atención de interrupción por fin de entrada/salida.

09.

Ejecutar los módulos del sistema operativo asociados al control de entrada/salida.

10.

Modificar la tabla de marcos y la tabla de páginas del proceso que produjo el fallo.

11.

Esperar que la UCP se asigne nuevamente a este proceso.

12.

Durante el paso 11, se sucede el siguiente ciclo, hasta que el proceso que interrumpió por fallo de página sea el elegido en el paso 12.1: 12.1. Ejecutar el módulo del sistema operativo que planifica el uso de UCP. 12.2. Conmutar contexto.

12.3. Ejecutar instrucciones del proceso seleccionado.

13.

Conmutar contexto restaurando la Palabra de Estado y el resto de los registros del proceso.

14.

Reanudar la instrucción interrumpida por fallo de página.

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El sistema debe desarrollar un algoritmo de asignación de marcos y un algoritmo de reemplazo de páginas.

El diseño de procedimientos apropiados es importante para un buen desempeño del sistema.

ASIGNACIÓN DE MARCOS Los algoritmos de asignación de marcos deben contemplar un número mínimo de marcos a otorgar a cada proceso ya que es necesario tener suficientes marcos para contener todas las páginas a las que una sola instrucción puede hacer referencia. Este valor está definido por la arquitectura de la computadora.

El número máximo de marcos está determinado por la cantidad de memoria física disponible.

Existen varios esquemas para otorgar marcos a los procesos, asignación equitativa, asignación proporcional en base al tamaño o prioridad, o una combinación de ambos.

ALGORITMOS DE REEMPLAZO DE PÁGINAS Los algoritmos de reemplazo de páginas deben lograr una frecuencia baja de fallos de página.

Se han diseñado diversos algoritmos, primero llegado primero servido o FIFO, óptimo, menos recientemente usada o LRU basado en tiempo, de aproximación al LRU, algoritmos con bits de referencia adicionales, algoritmo de segunda oportunidad, segunda oportunidad mejorada, o algoritmos de conteo basados en el número de referencias que se han hecho a la página desarrollando los esquemas menos frecuentemente usada o LFU, y más recientemente usada o MFU. Además la selección de reemplazo puede ser global o local.

En el primer caso, un proceso no puede controlar su propia frecuencia de fallos.

Por otra parte, el segundo puede obstaculizar la ejecución de un proceso al no permitirle aprovechar otras páginas de memoria de poco uso.

En general la técnica de reemplazo global aumenta el rendimiento y es el método más utilizado.

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HIPERPAGINACIÓN O THRASING Se llama hiperpaginación a la actividad excesiva de paginado en donde un proceso se pasa más tiempo paginando que ejecutando.

Para evitar esta situación se debe proporcionar a los procesos tantos marcos como necesiten.

Hay varias técnicas para estimar esto.

La estrategia de frecuencia de fallos de página establece límites inferiores y superiores para la frecuencia de fallos de página.

Si la cantidad de fallos excede el tope superior, se asigna otro marco al proceso, mientras que si se reduce a menos del límite inferior, se le quita un marco.

Esto podría llevar a suspender el proceso cuando la frecuencia de fallos aumenta y no hay marcos disponibles.

La estrategia de conjunto de trabajo se fundamenta en el número de marcos que un proceso está usando realmente.

Este enfoque define el modelo de localidad de la ejecución de procesos. Plantea que un proceso se mueve de una localidad a otra durante su ejecución.

Una localidad es un conjunto de páginas que se usan activamente juntas.

Un programa se compone de varias localidades distintas que podrían traslaparse.

El modelo de conjunto de trabajo se basa en el supuesto de localidad, empleando un parámetro d para definir la ventana del conjunto de trabajo. Dicha ventana es móvil, ya que el conjunto de trabajo es el conjunto de páginas de las d referencias a páginas más recientes.

Así, el conjunto de trabajo es una aproximación a la localidad del programa.

Este modelo es utilizado para aplicar prepaginación.

TAMAÑO DE PÁGINA Al diseñar una computadora, hay una serie de factores a considerar al definir el tamaño de página.

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Si el tamaño es pequeño, se aprovecha mejor la memoria al reducir la fragmentación interna, se obtiene mejor definición ajustando la localidad pues se aísla sólo la imagen que se necesita, en consecuencia es menor la memoria asignada total como así también la entrada/salida total.

Con tamaño grande de páginas se achica la longitud de la tabla de páginas, se minimiza el tiempo de entrada/salida ya que con el mismo tiempo de búsqueda y latencia se transfieren más cantidad de bytes, se reduce el número de fallos de página.

La tendencia se orienta hacia tamaños de página grandes ya que la velocidad de los procesadores y la capacidad de la memoria principal han aumentado con mayor rapidez que la velocidad de los dispositivos de almacenamiento masivo.

CONSIDERACIONES DE PROGRAMACIÓN La paginación por demanda está diseñada de modo que sea transparente al usuario. El programador puede no tener conocimiento de la naturaleza paginada de la memoria, pero se puede mejorar el desempeño del sistema si se sabe la paginación por demanda subyacente.

Una buena selección de las estructuras de datos y las estructuras de programación pueden aumentar la localidad reduciendo la frecuencia de fallos de página y el número de páginas del conjunto de trabajo.

Una pila tiene buena localidad mientras que una tabla de dispersión la degrada.

Los programas lineales obtienen un mejor rendimiento en detrimento de la programación estructurada.

Conviene que la recorrida de una matriz de dos dimensiones mediante dos sentencias iterativas Para se realice de manera consecutiva respetando su ubicación física. Ya que el arreglo se almacena por filas, el ciclo interno debe corresponder a la recorrida de la fila, y el externo al de la columna.

El compilador y el vinculador tienen efectos importantes sobre la paginación si separan el código de los datos, generan programas reentrantes, evitan colocar las rutinas de modo que crucen fronteras de página, y empacan en una misma página las rutinas que se invocan frecuentemente entre sí.

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12.GESTIÓN DE PROCESOS 12.01.Concepto de proceso Un programa es una entidad pasiva, un conjunto de instrucciones contenidas en un archivo guardado en un dispositivo de almacenamiento masivo.

Un proceso es una entidad activa. Un proceso es un programa en ejecución.

Incluye contador de programa o campo secuencia especificando la dirección de la siguiente instrucción y un conjunto de recursos asociados. Esta información se almacena en una estructura denominada bloque de control de proceso, process control block o PCB, mediante la cual el sistema operativo representa cada proceso. Parte de sus características se transfieren al procesador al momento en que el proceso hace uso de este recurso. Se detallan algunos de sus elementos de información: Identificación de proceso:

Pid es un número que permite distinguir al proceso de manera unívoca.

Estado del proceso:

Indica la actividad actual del proceso, en qué situación se encuentra en cada momento durante el transcurso de su ejecución: Nuevo: Corresponde a la etapa de la creación del proceso.

En ejecución: Se están ejecutando instrucciones del programa.

El proceso está haciendo uso del procesador.

En espera: El proceso está aguardando que ocurra algún suceso, ya sea la terminación de una operación de entrada/salida, la recepción de una señal u otra actividad que no le permite seguir ejecutando instrucciones.

Listo: El proceso está disponible para hacer uso de la UCP. En esta etapa compite por la asignación de este recurso.

Terminado: El proceso finalizó su ejecución.

En esta etapa se liberan los recursos utilizados.

De acuerdo a la complejidad del sistema operativo pueden hacerse distinciones más sutiles entre los posibles estados.

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Palabra de Estado:

Contiene los siguientes campos, detallados en capítulos anteriores: Secuencia:

Registra la dirección de la próxima instrucción a ejecutarse. Corresponde a la dirección almacenada en el R.P.I..

Modo: Modo de operación, ya sea supervisor o usuario, señala el tipo de proceso.

Interrupción: La rutina de manejo de interrupciones utiliza este campo.

Condición: Es un conjunto de bits asociados al resultado de la última operación de la UAL. Reubicación: Indica la ubicación de la imagen del programa en memoria o sea información aplicada a la gestión de memoria principal.

Registros de UCP:

Abarca los contenidos de los Registros de Uso General, Acumulador y otras áreas de almacenamiento dependiendo de la arquitectura del procesador.

Información de planificación de UCP: Contiene parámetros para ser utilizados por el módulo de planificación del recurso procesador.

Información de entrada/salida: La información incluye la nómina de dispositivos de entrada/salida, archivos abiertos u otros recursos utilizados por el proceso.

Información contable:

Almacena información utilizada para estadística, cantidad de tiempo de procesador consumido, tiempo de uso de entrada/salida, memoria utilizada, tiempo de ejecución total, y cualquier otra que sea empleada para tal fin.

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12.02.Planificación de procesos Este módulo apunta a optimizar el recurso procesador ya que en un sistema que trabaja en concurrencia o paralelismo, todos los procesos compiten por su uso en algún momento.

El sistema lleva registro de los procesos en curso. Cuando ingresa, se le asocia un PCB y se lo incorpora a una cola de trabajos. Cada elemento de esta estructura contiene un puntero al PCB de dicho proceso. A medida que éste cambia de estado, se lo asocia a la estructura correspondiente.

Por ello, el sistema mantiene una cola de procesos listos, un conjunto de colas de entrada/salida, tantas como dispositivos haya, y una o varias estructuras de procesos en espera de algún suceso.

Ya creado el proceso, para que pueda competir por el uso del procesador, se lo coloca en la cola de procesos listos donde queda hasta que se lo selecciona.

Una vez asignada la UCP y ejecutándose sus instrucciones, pueden originarse uno de los sucesos: -

Solicitud de entrada/salida: El proceso se coloca en la cola de entrada/salida del dispositivo indicado.

Creación de un nuevo subproceso: Si el proceso debe aguardar a que termine, queda en espera y puede ser colocado en una estructura de espera.

Interrupción: Si el proceso es desalojado de la UCP, se encola otra vez en la cola de procesos listos siempre que el motivo no sea su finalización o cancelación.

En los dos primeros casos, al terminar dichos sucesos, vuelve a incluirse en la cola de procesos listos.

Cada proceso continúa este ciclo hasta finalizar. Entonces se liberan sus recursos, su PCB se elimina y por consiguiente deja de aparecer en las colas de planificación.

Durante su existencia, un proceso migra de una cola de planificación a otra. El sistema operativo selecciona los procesos de estas estructuras mediante el planificador apropiado.

El planificador a largo plazo o planificador de trabajos se encarga de los procesos nuevos del sistema batch o por lotes controlando el grado de multiprogramación.

El planificador a corto plazo o planificador de UCP administra la cola de procesos listos.

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12.03.Conmutación de contexto La conmutación de contexto o context switch es el procedimiento mediante el cual se produce el traspaso del procesador de un proceso a otro.

El cambio de asignación de la UCP requiere preservar el contenido de la Palabra de Estado y el resto de los registros del proceso anterior, y cargar los correspondientes al nuevo proceso.

El tiempo de conmutación de contexto depende del apoyo del hardware.

Si la arquitectura del procesador está diseñada con varios conjuntos de registros, esta acción implica solamente cambiar el puntero al conjunto de registros actual.

De no tener esta facilidad o en caso de haber más procesos activos que conjuntos de registros, el sistema debe grabar los datos de los registros en memoria caché o principal y leer los datos correspondientes al proceso cuyo estado ha pasado a ser en ejecución.

12.04.Hilos La conmutación de contexto implica un gasto de actividad extra. Siendo que un proceso se define por los recursos que utiliza, se ha diseñado una estructura nueva denominada hilo o thread para simplificar el traspaso del procesador y a su vez permitir compartir ciertos recursos que hasta ahora eran propios de cada proceso.

Un hilo o proceso ligero es una unidad básica de uso de UCP. Consiste en un identificador, contador de programa, estado, bits de condición, un juego de registros y un espacio de pila.

El hilo comparte con sus hilos pares la sección de código de la imagen en memoria principal, parte de la sección de datos y recursos como archivos abiertos y señales.

Colectivamente se lo denomina tarea.

Un proceso tradicional o pesado es una tarea con un solo hilo.

Un hilo pertenece a una sola tarea y agiliza la conmutación de contexto entre hilos pares.

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Este tipo de organización es útil cuando la actividad que los procesos realizan es la misma. Por ejemplo, varios procesos asociados a un buscador que resuelve consultas en un sistema distribuido débilmente acoplado habiendo tantos hilos como invocaciones realicen al buscador las múltiples máquinas remotas.

Dado que los hilos no son independientes entre sí, una tarea con múltiples hilos tiene un único usuario. En el caso del buscador, éste recibe requerimientos de diversos usuarios, pero el sistema que resuelve la búsqueda pertenece a un solo dueño.

La conmutación entre hilos pares en el nivel de usuario puede hacerse con independencia del sistema operativo, es decir sin necesidad de producir una interrupción.

Si el sistema permite implantar hilos en este nivel pero el núcleo del sistema operativo es monohilado, cualquier hilo en modo usuario que ejecute una llamada al supervisor hará que toda la tarea espere hasta el retorno de dicha llamada ya que los procedimientos del sistema operativo siguen siendo monotareas.

Además la planificación de procesos puede no ser equitativa porque el sistema operativo, al no tener conocimiento de los hilos, sólo administra procesos. En general, si cada proceso recibe la misma porción de tiempo de uso de procesador, el único hilo en el nivel de usuario de un proceso tendrá más frecuencia de acceso a la UCP que cualquiera de los otros hilos correspondientes a un proceso con múltiples hilos en el mismo nivel.

En un sistema con hilos apoyados por el núcleo, la conmutación entre hilos pares consume más tiempo pues es realizada por el sistema operativo a través de una interrupción, pero tiene ventajas notorias.

Cada hilo puede ser planificado de forma independiente.

A su vez, una llamada al supervisor por parte de un hilo no implica la espera del resto de los hilos pares de dicha tarea.

Por último, hay sistemas que adoptan un enfoque híbrido permitiendo implementar tanto hilos en el nivel de usuario como apoyados por el núcleo.

Dado los problemas de sincronización, algunos procedimientos del núcleo se desarrollan como monotareas permitiendo que sólo una tarea pueda estar ejecutando código del núcleo en un momento dado. Caso contrario, dicha tarea del núcleo debe ser sincrónica, o sea sus hilos pares deben contar con un mecanismo de cesión del control entre sí.

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12.05.Operaciones con procesos padre/hijo El sistema operativo debe contar con un mecanismo para crear y terminar procesos.

CREACIÓN DE PROCESOS Durante el curso de su ejecución, un proceso puede solicitar la creación de otro proceso a través de una llamada al sistema.

El proceso padre es el creador y los nuevos procesos son los hijos de éste, formando un árbol de procesos ya que cualquiera de los hijos puede a su vez crear procesos nuevos.

En términos generales, cuando se enciende la computadora, el sistema operativo lanza un proceso inicial, Init en UNIX, Exec en otros sistemas, que es el padre de todos los procesos de usuario. Cada puerto de terminal habilitado para uso interactivo tiene un proceso Logon, Getty en UNIX, que Init crea para él. Este hijo asigna valores iniciales a los parámetros de línea de la terminal y a partir de allí espera el nombre de usuario y su contraseña. Esta información se transfiere a otro proceso denominado Login que se encarga de validar la información ingresada y en caso de ser exitosa, se ejecuta un intérprete de comandos, Shell en UNIX, Cli en otros sistemas, asociado a dicha terminal.

Un proceso necesita de un conjunto de recursos para realizar su actividad.

Si un padre crea un proceso, el hijo puede obtener sus recursos del sistema operativo, o puede estar restringido a un subconjunto de los de su padre impidiendo que cualquier proceso sobrecargue el sistema creando demasiados hijos. En este caso el creador debe dividir sus recursos entre sus hijos y cabe la posibilidad de que sus hijos compartan algunos de ellos.

El proceso padre puede pasar a su hijo datos de inicialización además de transferir recursos físicos y lógicos.

En cuanto a las posibilidades en términos de ejecución, puede suceder que el padre siga ejecutándose de forma concurrente con sus hijos, o que deba esperar hasta que alguno o todos sus hijos hayan terminado mediante la llamada al sistema Wait.

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En términos del espacio de direcciones de memoria, el proceso hijo puede ser un duplicado de la imagen del padre o tener una imagen de programa propia.

El primer caso se resuelve mediante una llamada al sistema de bifurcación denominada Fork que permite al padre comunicarse fácilmente con el proceso hijo. El proceso padre continúa su ejecución con la instrucción siguiente a Fork recibiendo como código de retorno el identificador del hijo o sea un valor distinto de cero. El hijo inicia su ejecución con la instrucción siguiente al Fork correspondiente a su espacio de direcciones, pero el valor de retorno es cero. Ya que ambos programas son los mismos, esto permite al programador manejar la lógica del código fuente pudiendo hacer una distinción entre el procedimiento del padre y sus hijos de forma que los procesos puedan comportarse de diferente manera.

El segundo caso se implementa mediante la llamada al sistema Execve. El proceso padre se suspende y el hijo comienza la ejecución del programa indicado en el argumento de la llamada.

En la práctica los sistemas operativos aplican ambos modelos desarrollando restricciones y variantes. Por ejemplo, si después de Fork se utiliza la instrucción Execve, se reemplaza el espacio de memoria del proceso permitiendo que tanto el padre como el hijo puedan realizar actividades distintas sin necesidad de suspender el proceso creador.

La creación de hilos se diseña con criterios similares. La llamada al sistema clonar, Clone en Linux, crea un proceso liviano nuevo que tiene identidad propia pero que puede compartir ciertas estructuras de su padre de acuerdo a la definición de hilo, como por ejemplo, el mismo espacio de direcciones de memoria y no su copia.

TERMINACIÓN DE PROCESOS La terminación normal de un proceso se realiza con la llamada al sistema Salir o Exit. En ese momento, el proceso puede devolver información a su padre y se liberan sus recursos.

Hay otros motivos por los cuales un proceso finaliza. Puede producirse su cancelación por fallo, o mediante una llamada al sistema Abort por parte del proceso creador. En general sólo el padre puede emitir esta solicitud, de otro modo cualquier usuario podría interferir arbitrariamente en los trabajos de otro. Además, muchos sistemas no permiten que un hijo exista si su padre termina, en cuyo caso el mismo sistema operativo es quien realiza una terminación en cascada.

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12.06.Procesos cooperativos Los procesos concurrentes pueden ser independientes o cooperativos.

Un proceso es independiente si no puede afectar ni ser afectado por los demás procesos en curso del sistema.

Cualquier proceso que no comparte recursos con ningún otro proceso lo es.

Un proceso es cooperativo si puede afectar o ser afectado por los demás procesos en curso del sistema.

Cualquier proceso que comparte algún recurso con otro proceso lo es.

La modalidad concurrente que requiere cooperación entre los procesos necesita mecanismos que permitan la comunicación entre dichos procesos y la sincronización de sus acciones.

Un paradigma de procesos cooperativos es el problema de productores y consumidores.

Un proceso productor produce información que es consumida por un proceso consumidor.

Por ejemplo, un compilador puede producir código objeto que es consumido por un vinculador. Éste a su vez, puede producir código ejecutable que es consumido por el cargador.

Para que procesos productores y consumidores ejecuten concurrentemente, se debe contar con un buffer de elementos que el productor llena y el consumidor vacía. El primero puede generar un elemento mientras el segundo utiliza otro.

Ambos deben estar sincronizados para que el consumidor no intente consumir un elemento que aún no se ha producido, y a su vez el productor no trate de generar un elemento nuevo sobre un área no consumida.

El buffer puede ser suministrado por el sistema operativo utilizando la comunicación entre procesos o Ipc, o estar definido explícitamente por el programador utilizando memoria compartida en un área de memoria principal o un archivo.

Cabe señalar que los esquemas de comunicación por transferencia de mensajes o memoria compartida no son excluyentes entre sí, es más pueden utilizarse simultáneamente dentro de un mismo sistema operativo o en procedimientos distintos de un mismo proceso.

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12.07.Comunicación entre procesos o Ipc La comunicación entre procesos, Ipc o interprocess communication ofrece un mecanismo que permite a los procesos comunicarse entre sí y sincronizar sus acciones mediante un sistema de mensajes.

La función de un sistema de mensajes es permitir a los procesos la comunicación entre sí sin tener que recurrir a áreas de datos compartidos.

Existen dos operaciones básicas, Send o enviar mensaje, y Receive o recibir mensaje.

Si dos procesos quieren comunicarse, debe existir un enlace de comunicación entre ellos que puede implementarse de diversas maneras.

En términos generales se debe definir cómo se establecen los enlaces, la posibilidad de que un enlace esté asociado a más de dos procesos, cantidad de enlaces entre cada par de procesos, capacidad del enlace, tamaño fijo o variable de mensaje, dirección unidireccional o bidireccional del enlace.

Además existen varios métodos para implementar lógicamente un enlace y sus operaciones básicas: -

Comunicación directa o indirecta Comunicación simétrica o asimétrica Uso de buffer automático o explícito Envío por copia o por referencia Mensaje de tamaño fijo o variable

En la disciplina de comunicación directa, el emisor debe nombrar explícitamente al remitente o destinatario de la comunicación estableciéndose automáticamente un enlace entre cada par de procesos. En este caso, el enlace se asocia a exactamente dos procesos, entre cada par de procesos sólo existe un enlace ya sea unidireccional o bidireccional.

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Con la comunicación indirecta, los mensajes se envían a buzones o puertos y se reciben de los mismos.

En abstracto, un buzón es un objeto en el que los procesos pueden colocar mensajes y del cual se pueden sacar mensajes. Cada buzón tiene una identificación única en el sistema.

Trabajando con este esquema, se establece un enlace unidireccional o bidireccional entre un par de procesos sólo si tienen un buzón compartido aunque un enlace puede estar asociado a más de dos procesos. Entre cada par de procesos en comunicación puede haber varios enlaces distintos, cada uno corresponde a un buzón.

Un buzón puede ser propiedad de un proceso o del sistema.

En el primer caso el proceso que lo define es su propietario y sólo puede recibir a través de este buzón los mensajes de los usuarios que los envían. Cuando el propietario termina, el buzón desaparece.

A su vez, un buzón propiedad del sistema operativo tiene existencia propia y no está unido a ningún proceso específico, pero el sistema establece un mecanismo que posibilita a un proceso crear un buzón, enviar y recibir mensajes a través de dicho buzón, y destruir un buzón.

El proceso que solicita la creación de un buzón es por omisión su dueño.

Por último, un enlace tiene cierta capacidad que determina el número de mensajes que pueden residir temporalmente en él.

Esta propiedad puede implementarse como una cola de mensajes asociada al enlace ya sea de capacidad cero, limitada o ilimitada.

El primer diseño, que recibe el nombre de sistema de mensajes sin buffers, implica que el enlace no puede tener mensajes esperando en él, mientras que en el tercero, el emisor nunca espera.

Los dos últimos ofrecen almacenamiento automático en buffer.

Cabe destacar que tanto un sistema centralizado como distribuido, cuando ocurre un fallo en la comunicación, debe intentar recuperarse del error manejando las condiciones de excepción.

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12.08.Transacciones Se denomina transacción a una colección de instrucciones que realiza una sola función lógica.

Una transacción es una unidad de ejecución de un programa que accede y posiblemente actualiza varios elementos de dato.

Normalmente es el resultado de la ejecución de un programa de usuario escrito en un lenguaje de manipulación de datos de alto nivel o en un lenguaje de programación (Pascal, Java. C, Basic, Cobol, etc.) y está delimitado por declaraciones de la forma, InicioTransacción y FinTransacción. La transacción consiste en todas la operaciones que se ejecutan entre ambos enunciados y los incluye.

Para asegurar la integridad de los datos se necesita que el sistema mantenga las siguientes propiedades de las transacciones: Atomicidad:

Todas sus operaciones deben realizarse adecuadamente o ninguna de ellas.

Consistencia: Su ejecución aislada, es decir sin otra transacción cooperativa ejecutándose de manera concurrente, conserva la consistencia de los datos.

Aislamiento: Aunque se ejecuten varias de ellas concurrentemente, el sistema garantiza que para cada par de transacciones Tj y Tk se cumple que, o bien Tj ha terminado su ejecución antes de que Tk comience, o Tj comienza su ejecución después de que Tk termina. Esto garantiza que cada una ignora al resto de las transacciones que se ejecutan concurrentemente en el sistema.

Durabilidad:

Tras su finalización con éxito, los cambios realizados en los datos permanecen, incluso si hay fallas en el sistema.

Una solución para el problema de la ejecución de transacciones concurrentes es su ejecución secuencial, o sea una tras otra. Sin embargo, esto no beneficia al rendimiento global del sistema pues lo degrada. Por ello, se han desarrollado facilidades que posibilitan la modalidad no secuencial.

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ESTADOS DE UNA TRANSACCIÓN En ausencia de fallos, todas las transacciones se completan con éxito.

Sin embargo, una transacción puede que no siempre termine con éxito. Una transacción de este tipo se denomina abortada.

Si se pretende asegurar la propiedad de la atomicidad, una transacción abortada no debe tener efecto sobre el estado de los datos. Así, cualquier modificación a los datos realizada por la transacción abortada debe deshacerse restableciendo los datos a sus valores anteriores al comienzo de dicha transacción. Esta acción de retroceso deshace los cambios efectuados por dicha transacción.

Parte de la responsabilidad del esquema de recuperaciones es administrar las transacciones abortadas.

Una transacción que termina con éxito se dice que está comprometida.

Una transacción comprometida que haya realizado modificaciones, trasforma el conjunto de datos llevándolos a un nuevo estado consistente, que permanece incluso si hay un fallo en el sistema.

Se dice que una transacción ha terminado si se ha comprometido o abortado.

Los posibles estados en que puede encontrarse una transacción son los siguientes: Activa:

Estado inicial en donde permanece durante su ejecución normal.

Parcialmente comprometida: Luego de ejecutarse su ultima instrucción.

Fallida:

Cuando se descubre que no puede continuar su ejecución normal.

Abortada:

Después de haber retrocedido.

Comprometida:

Al completarse con éxito.

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De activa puede pasar a parcialmente comprometida o fallida.

De parcialmente comprometida puede pasar a comprometida o fallida.

En este punto la transacción ha terminado con la ejecución de su última instrucción.

Pero es posible que los datos actuales estén todavía en la memoria principal sin haber sido transferidos al almacenamiento masivo correspondiente pues la operación de entrada/salida, que incluye manipulación de buffers asociados y planificación de cada dispositivo, queda a cargo del sistema operativo y puede llegar a realizarse en diferido.

De producirse un fallo antes de que se complete con éxito, debe ser abortada.

El sistema graba en disco la información suficiente para que incluso al producirse un fallo, puedan reproducirse los cambios hechos por la transacción al reiniciar el sistema tras el fallo.

Cuando las operaciones de salida solicitadas terminan con éxito, esta transacción pasa al estado de comprometida.

De fallida pasa a abortada.

Una transacción llega al estado fallida después de que el sistema determina que dicha transacción no puede continuar su ejecución normal.

Una transacción de este tipo debe retroceder para después pasar al estado de abortada.

En este punto, el sistema tiene dos opciones, reiniciar o cancelar la transacción.

SECUENCIALIDAD O SERIABILIDAD Se denomina planificación a la secuencia de ejecución de las transacciones. Representa el orden cronológico en el cual se ejecutan las instrucciones en el sistema.

Si se trabaja en monoprogramación, la planificación siempre es secuencial; un proceso detrás del otro.

Cuando varias transacciones ejecutan en concurrencia, la planificación correspondiente no necesariamente es en secuencia pues la ejecución de instrucciones de diversos procesos se intercalan.

Si una planificación P se puede transformar en otra P’ por medio de un conjunto de intercambios de instrucciones no conflictivas, P y P’ son equivalentes en cuanto a conflictos, o sea su comportamiento es el mismo respecto a las posibles incongruencias producidas por la temporalidad de su ejecución.

Se dice que una planificación P es secuenciable o seriabilizable en cuanto a conflictos si es equivalente en cuanto a conflictos a una planificación secuencial.

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12.09.Control de concurrencia Los sistema de procesamiento de transacciones permiten normalmente las ejecuciones de varias transacciones concurrentemente, pero asegurar la consistencia de los datos utilizados en la ejecución concurrente de las transacciones requiere un trabajo extra.

Existen dos buenas razones para permitir la concurrencia.

Por un lado, una transacción consiste en varios pasos. Algunos requieren el uso de UCP, otros implican operaciones de E/S. Se puede entonces explotar el paralelismo de la UCP con las transferencias de entrada/salida para ejecutar varias transacciones en concurrencia. De este modo hay un aumento en la productividad del sistema.

A su vez, normalmente existe un mezcla de transacciones que se ejecutan en el sistema, algunas cortas y otras largas. Si la transacciones se ejecutan secuencialmente, la corta debe esperar a que la larga anterior se complete, lo cual puede llevar a un retardo impredecible en la ejecución de la transacción.

Cuando se ejecutan varias transacciones concurrentemente, la consistencia de los datos se puede destruir a pesar de que cada transacción individual sea correcta.

Existen diversas técnicas para evitar esta situación, protocolos basados en bloqueo, protocolos basados en marcas de tiempo, protocolos basados en validación, esquemas multiversión u otros.

A los efectos de este libro introductorio, se describe la primera desarrollando algunas opciones.

PROTOCOLOS BASADOS EN BLOQUEO Una forma de asegurar la secuencialidad es exigir que el acceso a los elementos de dato se hagan en exclusión mutua; es decir, mientras una transacción accede a un elemento de dato, ninguna otra transacción puede modificar dicho elemento. El método más habitual que se usa para implementar este requisito es permitir que una transacción acceda a un elemento sólo si posee actualmente un bloqueo sobre dicho elemento.

Existen muchos modos por medio de lo cuales se puede bloquear un elemento de dato.

En este apartado se centra la atención en dos modalidades:

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Compartido: Si la transacción Ti obtiene un bloqueo en modo compartido, denotado como C, sobre el elemento eDat, entonces Ti puede leer eDat pero no lo puede escribir.

Exclusivo:

Si la transacción Ti obtiene un bloqueo en modo exclusivo, denotado como X, sobre el elemento eDat, entonces Ti puede tanto leer como escribir eDat.

Es necesario que toda transacción solicite un bloqueo de modo apropiado sobre el elemento de dato eDat, dependiendo del tipo de operaciones que se realicen con eDat. Dado un conjunto de modos de bloqueo, se puede definir sobre ellos una función de compatibilidad.

Utilizamos Bj y Bk para representar dos modos de bloqueos arbitrarios.

Supóngase que la transacción Tj solicita un bloqueo en modo Bj sobre el elemento eDat, sobre el que la transacción Tk, Tj <> Tk, posee un bloqueo de modo Bk. Tal función se puede representar convenientemente en forma de matriz.

La relación de compatibilidad entre estos dos modos de bloqueo se presenta en la matriz Cx de la tabla siguiente:

C X

C verdad falso

X falso falso

Un elemento Cx(Bj, Bk) de la matriz tiene el valor cierto si y sólo si el modo Bj es compatible con el modo Bk. Notar que el modo compartido es compatible con el modo compartido pero no con el modo exclusivo. En todo momento, se pueden tener varios bloqueos en modo compartido sobre un elemento de dato particular.

Una petición de bloqueo en modo exclusivo debe esperar hasta que se liberen los bloqueos en modo compartido que se poseen actualmente.

Se puede conceder el bloqueo cuando una transacción solicita un bloqueo de un modo particular sobre un elemento de dato, o ninguna otra transacción posee un bloqueo sobre el mismo elemento en un modo conflictivo.

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PROTOCOLO DE BLOQUEO DE DOS FASES Un protocolo que asegura la secuencialidad es el protocolo de bloqueo de dos fases. Este protocolo exige que cada transacción realice las peticiones de bloqueo y desbloqueo en dos fases: Fase de crecimiento: Fase de decrecimiento:

Una transacción puede obtener bloqueos pero no puede liberarlos.

Una transacción puede liberar bloqueos pero no puede obtener ninguno nuevo.

Inicialmente, un transacción está en la fase de crecimiento. La transacción adquiere los bloqueos que necesita. Una vez que la transacción libera un bloqueo, entra en la fase de decrecimiento y no puede realizar más peticiones de bloqueo.

Se puede mostrar que el protocolo de bloqueo de dos fases garantiza la seriabilidad en cuanto a conflictos.

El protocolo de bloqueo de dos fases no asegura la ausencia de bloqueos mutuos.

PROTOCOLO DE BLOQUEO EN ORDEN O SECUENCIA Como se ha explicado antes, en ausencia de información acerca de la forma en que se accede a los elementos de dato, el protocolo de bloqueo de dos fases es necesario y suficiente para asegurar la secuencialidad. Si se desea desarrollar protocolos distintos, es necesario tener información adicional acerca de la forma en que cada transacción accede a los datos.

Existen varios modelos que difieren en la cantidad de dicha información.

En términos generales, de acuerdo a la vinculación entre los datos y el tipo de operaciones, puede determinarse alguna estructura u ordenamiento al conjunto permitiendo tener conocimiento previo acerca de la secuencia en que se accede a los elementos. Dada esta información, es posible construir protocolos de bloqueo que no sean de dos fases pero no obstante garanticen la seriabilidad.

Para adquirir tal conocimiento previo, se impone un orden parcial sobre el conjunto D = {d1, d2, ..., dn} de todos los elementos de dato. Si dj -> dk, entonces toda transacción que acceda tanto a dj como a dk debe acceder a dj antes que a dk. Este orden parcial puede ser el resultado de la organización tanto lógica como física de los datos, o se puede definir únicamente con motivo del control de concurrencia.

Este protocolo evita el bloqueo mutuo, abrazo mortal o deadlock.

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12.10.Sistemas de recuperación El componente de gestión de recuperaciones en un sistema implementa el soporte para garantizar la atomicidad y durabilidad, además de la fiabilidad.

Un esquema simple aunque poco eficiente puede desarrollarse asumiendo que sólo un transacción está activa en cada momento, y se basa en hacer copias de los datos, llamadas copias sombras.

Se mantiene un puntero en el dispositivo de almacenamiento masivo, apuntando a la copia actual de la estructura. Una transacción que quiera actualizar elementos crea primero una copia completa de dichos datos. Todos los cambios se hacen en la nueva copia. Si hay que abortar la transacción, simplemente la copia nueva se borra. Si la transacción se completa, se actualiza el puntero para que apunte a la nueva copia de la estructura y la versión antigua se anula. Se dice que la transacción está comprometida en el momento que el puntero actualizado se graba en el almacenamiento masivo.

Esta implementación no permite la concurrencia de transacciones. Además puede obligar a la escritura completa de una estructura de datos dada, y no sólo su área modificada, para poder seguir respetando su método de asignación de espacio en disco.

Durante una ejecución concurrente debe tenerse en cuenta el efecto de los fallos en una transacción.

Si la transacción Tj falla, por la razón que sea, es necesario deshacer el efecto de dicha transacción para asegurar la propiedad de atomicidad de la misma. En un sistema que permita la concurrencia es necesario asegurar también que toda transacción Tk que dependa de Tj, es decir Tk lee datos que ha escrito Tj, se aborte también.

Una planificación RECUPERABLE es aquella en la que para todo par de transacciones Tj y Tk tales que Tk lee elementos de dato que ha escrito previamente Tj, la operación comprometer de Tj aparece antes que la de Tk. Una PLANIFICACIÓN SIN CASCADA es aquella para la que todo par de transacciones Tj y Tk tales que Tk lee elementos de dato que ha escrito previamente Tj, la operación comprometer Tj aparece antes que la operación de lectura de Tk. O sea, Tk accede a datos modificados por transacciones comprometidas.

Es sencillo comprobar que toda planificación sin cascada es también recuperable.

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RECUPERACIÓN BASADA EN BITÁCORA Esta técnica se basa en que para conseguir el objetivo de atomicidad, se debe primero garantizar la operación de salida del dato en un almacenamiento estable, sin modificar aún el dato real.

La estructura más utilizada para guardar las modificaciones del conjunto de datos es la bitácora.

Por definición, la información alojada en almacenamiento estable nunca se pierde. Dado que esto es, realmente, imposible de conseguir, se logra por aproximación o sea, se simula.

Para su implantación, se replica la información necesaria en varios medios de almacenamiento no volátil, normalmente discos magnéticos con sistema de espejado o sistema Raid, disposición redundante de discos independientes, con modos de fallo independientes.

La información se graba de manera controlada para garantizar que un fallo no la dañará, o sea, no redundará en pérdida.

La bitácora, análogamente con la utilizada por los navegantes, es un secuencia de registros y mantiene un detalle de todas las actividades de actualización de los datos. En particular, almacena las transacciones que se ejecutan a partir del último resguardo general del sistema hasta el momento actual.

Existen distintos diseños de registros en esta estructura dependiendo de la acción que contenga, pero genéricamente consta de los siguientes campos: Identificador: Tipo de registro: Nombre de la estructura: Dirección de la estructura: Valor anterior: Valor nuevo:

Es un número único asociado a la transacción.

Indica el tipo de operación que realiza la transacción, inicio, actualización, fin; u otras actividades del sistema, como checkpoint.

Indica el nombre del dato o estructura asociado a la operación.

Este campo es opcional.

Indica la dirección física del dato u operando.

Suele coincidir con la ubicación del elemento en el dispositivo.

Es el valor que tenía el dato antes de la escritura.

Corresponde a la operación de actualización.

Es el valor que tendrá el dato después de la escritura.

Corresponde a la operación de actualización.

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El tamaño del dato no se incluye ya que la entrada/salida se realiza de a sectores físicos de longitud fija.

Puede observarse que existen registros con estructura especial en la bitácora para reflejar sucesos significativos durante el procesamiento de una transacción tales como, el comienzo de una transacción mediante registro tipo inicio o init, y el éxito de la misma con registro tipo fin o commit, como así también operaciones de control propias del sistema.

A medida que suceden las operaciones, se graban en la bitácora. Por ello, cabe destacar que los registros de una transacción pueden quedar intercalados con registros de otras transacciones que ejecutan concurrentemente.

RECUPERACIÓN BASADA EN BITÁCORA INMEDIATA La técnica de actualización inmediata permite realizar la salida de las actualizaciones de los datos al dispositivo de almacenamiento masivo mientras que la transacción está todavía en estado activo. La escritura de datos realizada por transacciones activas se denomina modificaciones no comprometidas.

En caso de una caída o un fallo en la transacción, el sistema debe utilizar el campo denominado valor anterior de los registros de la bitácora para restaurar los elementos de dato modificados a los valores que tuvieran antes de comenzar la transacción.

PUNTO DE REVISIÓN O CHECKPOINT Cuando ocurre un fallo en el sistema, se debe consultar la bitácora para determinar las transacciones que deben rehacerse y las que deben deshacerse.

En principio es necesario recorrer completamente esta estructura para hallar esta información. En esta aproximación hay dos inconvenientes principales. En primer lugar, el proceso de búsqueda consume tiempo. Por otra parte, la mayoría de la transacciones que deben de rehacerse de acuerdo con el algoritmo de recuperación, ya tienen escrita sus actualizaciones en la estructura de datos. Aunque el hecho de volver a ejecutar estas transacciones no produzca resultados erróneos, sí repercutirá en un aumento del tiempo de ejecución del proceso de recuperación.

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Para reducir este tipo de sobrecargas se introducen los puntos de revisión. Como ya se ha mencionado, el sistema actualiza la bitácora durante la ejecución. Pero además puede realizar periódicamente un punto de revisión o checkpoint, en los cuales tiene lugar la siguiente secuencia de acciones: -

Garantizar que no haya transacciones activas o armar una lista con las mismas.

Caso contrario, esperar a que finalicen las activas pero no permitir ningún inicio.

-

Escribir en almacenamiento estable todos los registros de la bitácora que residan en ese momento en memoria principal.

-

Escribir en disco todos los bloques de memoria intermedia que se hayan modificado.

-

Escribir en la bitácora, alojada en almacenamiento estable, un registro tipo checkpoint.

Mientras se lleva a cabo este procedimiento no se permite que ninguna transacción realice actualizaciones.

RECUPERACIÓN Y CONTROL DE CONCURRENCIA - INTERACCIÓN La recuperación depende en gran medida del esquema de control de concurrencia que se use.

Para retroceder los efectos de una transacción fallida, deben deshacerse las modificaciones realizadas por esa transacción.

Supóngase que se debe retroceder una transacción Tj, y que un dato eDat que fue modificado por Tj, tiene que recuperar su antiguo valor. Si se está usando un esquema basado en bitácora para la recuperación, es posible restablecer el valor de eDat utilizando la información contenida en dicha estructura.

Ahora, si el supuesto es que una segunda transacción Tk realiza un nueva modificación sobre eDat antes de retroceder Tj, en este caso, al retroceder Tj se perdería la modificación efectuada por Tk. Es necesario que si una transacción Tj modifica el valor de un elemento de dato eDat, ninguna otra transacción pueda modificar el mismo elemento de dato hasta que Tj se haya comprometido o haya retrocedido.

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Este requisito puede satisfacerse fácilmente utilizando bloqueo de dos fases estricto, o sea, con planificación sin cascada.

Caso contrario, el retroceso debe ser en cascada.

Para el retroceso de una transacción Tj fallida, se utiliza la información contenida en la bitácora.

Esta estructura se explora hacia atrás.

Para cada registro de la forma: <Tj, tipReg, nomEst, dirEst, valAnt, valAct> Se restablece el valor del elemento de dato nomEst con su valor anterior valAnt, si tipReg está asociado a una operación de salida tipo actualización.

La exploración termina al encontrar el registro tipo inicio para dicha transacción.

Es importante que se recorra la bitácora empezando por el final ya que una transacción puede haber actualizado más de una vez el valor de un elemento de dato.

En el apartado anterior se menciona el punto de revisión para reducir el número de registros de la bitácora a ser examinados cuando el sistema se recupera de una caída.

Cuando se trabaja en concurrencia, varias transacciones pueden estar activas en el momento en que se produce el último punto de revisión.

En un sistema de procesamiento concurrente es necesario que el registro de la bitácora correspondiente al tipo checkpoint sea de la forma: <Tc, checkpoint, transAct> Con este diseño, Tc es la identificación del proceso que ejecuta la revisión, y transAct es una lista con las transacciones activas en el momento del punto de revisión.

Se supone que mientras se realiza el punto de revisión, las transacciones no efectúan modificaciones ni sobre los bloques de la memoria intermedia ni la bitácora.

Este requisito puede degradar el rendimiento del sistema, ya que el procesamiento de las transacciones tiene que suspenderse durante la ejecución de un punto de revisión.

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Un checkpoint durante el cual se permite que las transacciones realicen modificaciones, incluso mientras los bloques de la memoria intermedia se están guardando en el almacenamiento masivo, se denomina punto de revisión difuso.

PROCEDIMIENTO DE RECUPERACIÓN DE CAÍDAS La RECUPERACIÓN DE CAÍDAS POR FALLO CON PÉRDIDA DE ALMACENAMIENTO VOLÁTIL, cuenta con el siguiente procedimiento.

Cuando el sistema se recupera de una caída sin fallo de memoria auxiliar, construye dos listas: lista_deshacer: Contiene la identificación de las transacciones que han de deshacerse. lista_rehacer: Almacena la identificación de las transacciones que se deben rehacer.

Estas dos listas se arman durante la recuperación de la siguiente manera.

Al principio ambas están vacías.

Luego se recorre la bitácora hacia atrás examinando cada registro hasta que se encuentra el primer registro tipo checkpoint.

Durante esta recorrida, para cada registro tipo fin o commit, se añade Tj a la estructura lista_rehacer.

A su vez, para cada registro encontrado tipo inicio o init, si Tj no está en la lista_rehacer, se añade Tj a la estructura lista_deshacer.

Analizados los registros apropiados de la bitácora, se atiende al contenido de la lista transAct del registro tipo checkpoint.

Para cada transacción Tj en transAct, si Tj no está en lista_rehacer, entonces se añade Tj a la estructura lista_deshacer.

Una vez armadas estas dos listas, el proceso de recuperación procede a analizarlas y actualizar la información según corresponda. Este algoritmo consta de dos etapas.

En la primer etapa, se recorre de nuevo la bitácora hacia atrás, comenzando por el último registro.

Se realiza una operación deshacer por cada registro de la bitácora que pertenezca a una transacción Tj de la estructura lista_deshacer.

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En esta fase se ignoran los registros de la bitácora concernientes a transacciones de la lista_rehacer.

El recorrido de la bitácora termina cuando se encuentran todos los registros tipo inicio o init de cada transacción Tj correspondiente a la estructura lista_deshacer.

Después se localiza el último registro tipo checkpoint de la bitácora.

Nótese que este paso puede necesitar de un recorrido de la bitácora hacia delante si el registro tipo checkpoint quedó atrás en el paso anterior.

A partir de aquí comienza la segunda etapa.

Se recorre la bitácora hacia delante, o sea desde el último registro tipo checkpoint, y se realiza una operación rehacer por cada registro de la bitácora que pertenezca a una transacción Tj de la estructura lista_rehacer.

En esta última fase se ignoran los registros de la bitácora relacionados a transacciones de la lista_deshacer.

Al completar el procedimiento de recuperación se continúa con el procesamiento normal de las transacciones.

A continuación se mencionan algunas consideraciones respecto a este algoritmo de recuperación.

Tener en cuenta que en el paso uno, se debe procesar la bitácora hacia atrás para garantizar que el estado resultante de la estructura de datos sea correcto.

Después de haber desecho todas las transacciones contenidas en la lista_deshacer, se rehacen aquellas transacciones que pertenezcan a la lista_rehacer. En este caso se debe procesar la bitácora hacia delante.

Es importante deshacer primero las transacciones antes de realizar la etapa de rehacer.

De no proceder así, puede ocurrir un error.

Supóngase que el elemento de dato eDat se actualiza de 10 a 20 mediante la transacción Tj,, y aborta a continuación. Esta transacción de retroceso Ta devuelve a 10 el valor de eDat. Supóngase que luego una transacción Tk modifica a 30 el valor de eDat, se compromete, y seguidamente el sistema cae. El estado de la bitácora en el momento de la caída es:

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... <Tj, actualización, eDat, eDir, 10, 20> <Ta, inicio> <Ta, actualización, eDat, eDir, 20, 10> <Ta, fin> <Tk, actualización, eDat, eDir, 10, 30> <Tk, fin> Si se rehace primero, eDat toma el valor 30, y luego al deshacer eDat termina valiendo 10, lo cual es incorrecto. El valor final de eDat debe ser 30, lo que puede garantizarse si se deshace antes de rehacer.

La RECUPERACIÓN DE CAÍDAS POR FALLO CON PÉRDIDA DE ALMACENAMIENTO NO VOLÁTIL implica operaciones adicionales ya que los datos almacenados en la memoria auxiliar pueden haber perdido su consistencia.

Para ello, se debe contar con otro mecanismo de fiabilidad, el resguardo general o backup.

Este procedimiento permite obtener una copia exacta de los datos posibilitando su restitución a partir de la misma cuando se produce un fallo en el dispositivo donde se aloja la información normalmente.

Realizado en un almacenamiento secundario estable apropiado, ya sea cintas magnéticas u otros periféricos utilizados para tal fin, se efectúa periódicamente de acuerdo a las necesidades del sistema y requerimientos de la aplicación de usuario.

Cuando la copia está garantizada, se vacía la bitácora pues su contenido ya está salvado en este backup.

Ninguna transacción puede estar activa durante el volcado, aunque existen esquemas de volcado difuso.

Una vez que el sistema informático se pone en marcha después de este tipo de fallo, de ser necesario, primeramente se borra la información alojada en el dispositivo de almacenamiento masivo.

Luego se reemplaza por la información de respaldo contenida en el último resguardo general.

A partir de aquí, se realiza la recuperación basada en bitácora, con la siguiente salvedad.

Los puntos de verificación no se tienen en cuenta ya que se han de actualizar todas las modificaciones registradas en la bitácora desde su inicio.

No es necesario ejecutar ninguna operación deshacer.

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12.11.Sincronización de procesos Los procesos cooperativos pueden directamente compartir un espacio de direcciones lógico, tanto código como datos, o bien datos únicamente a través de archivos.

El acceso concurrente a recursos compartidos pueden producir inconsistencia de los datos. En el caso de archivos, se ha analizado diversas técnicas de control de concurrencia. Si lo que se comparte es un espacio de direcciones lógico, existen diversos mecanismos que aseguran la ejecución ordenada de dichos procesos cooperativos.

El manipular un dato compartido de manera incorrecta puede originar error de consistencia. Una situación como ésta, en la que varios procesos acceden y manipulan los mismos datos de forma concurrente y el resultado de la ejecución depende del orden en que haya ocurrido el acceso, se denomina condición de competencia o carrera, race condition.

Para evitar esta anomalía, se necesita garantizar que sólo un proceso a la vez pueda estar actualizando el elemento común.

SECCIÓN CRÍTICA Cada proceso tiene un segmento de código llamado sección crítica en la que el proceso puede estar actualizando datos comunes o compartidos.

La característica del sistema es que cuando se están ejecutando instrucciones de la sección crítica de un proceso, ningún otro proceso puede ejecutar su sección crítica. De esta manera, la ejecución de secciones críticas de los procesos es mutuamente exclusiva en el tiempo.

El problema de la sección crítica consiste en diseñar un protocolo que los procesos puedan aplicar para cooperar.

Cada proceso debe solicitar permiso para ingresar en su sección crítica. La sección de ingreso es la sección de código que implementa esta solicitud. A continuación se desarrolla la sección crítica, que va seguida de una sección de egreso, siendo la sección restante el código que queda.

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Una solución al problema de la sección crítica debe satisfacer los requisitos siguientes: Mutua exclusión:

Si un proceso se está ejecutando en su sección crítica, ningún otro puede estarse ejecutando en su sección crítica correspondiente.

Progreso:

Si ningún proceso se está ejecutando en su sección crítica y existen procesos que desean ingresar en sus secciones críticas, sólo aquellos que no se estén ejecutando en su sección restante participan en la decisión de cuál proceso es el siguiente en ingresar en su sección crítica.

Esta selección no puede posponerse indefinidamente.

Espera limitada:

Existe un límite para el número de veces que se permite a otros procesos ingresar en sus secciones críticas después de que un proceso ha solicitado su ingreso y antes de que se le otorgue la autorización para hacerlo.

Las soluciones no dependen de ningún supuesto relacionado con las instrucciones de hardware ni el número de procesadores que el hardware apoya, pero se da por sentado que las instrucciones en lenguaje de máquina son atómicas, es decir, si dos instrucciones se ejecutan concurrentemente, el resultado es equivalente a su ejecución secuencial en algún orden desconocido.

Existen problemas clásicos de sincronización, importantes porque son modelos de un tipo amplio de problemas de control de concurrencia, entre los que se mencionan el problema del buffer limitado, el problema de los lectores y escritores, el problema de los filósofos comensales.

Su desarrollo puede consultarse en la bibliografía que se anexa.

A continuación se describen varios mecanismos para resolver el problema de la sección crítica.

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SOLUCIÓN PARA DOS PROCESOS El algoritmo de esta solución establece que los dos procesos comparten dos variables, un vector booleano de dos elementos que se inicializan en falso, y una variable que toma dos valores posibles, 0 o 1.

Su desarrollo en pseudocódigo para el proceso P0 es: Repetición indVF[0] = verdad turno01 = 1 Mientras (indVF[1] Y turno01 = 1) FinMientras Sección_crítica indVF[0] = falso Sección_restante Hasta falso

Espera_su_turno

Tener en cuenta que el proceso P1 valoriza turno01 en 0, y modifica el elemento 1 del vector.

HARDWARE DE SINCRONIZACIÓN Las características del hardware pueden facilitar la tarea de sincronización y mejorar el rendimiento del sistema. En el caso del problema de la sección crítica, hay instrucciones de hardware sencillas que ayudan a resolverlo.

El problema de la sección crítica se soluciona fácilmente en un entorno uniprocesador si se prohiben las interrupciones mientras se está actualizando una variable compartida. Así se tiene la certeza de que la secuencia de instrucciones se ejecuta en orden sin expropiación.

En un sistema multiprocesador esta alternativa no es posible, o de lograrse, la eficiencia se degrada.

Por ello, las computadoras cuentan con instrucciones de hardware especiales que permiten buscar y modificar el contenido de una palabra, o bien intercambiar el contenido de dos palabras, atómicamente.

La implementación de estas funciones atómicas es una tarea difícil para los diseñadores de hardware.

Se describen algunas de ellas y su aplicación en procedimientos.

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La función TAS, Test_and_Set o Evaluar_y_Asignar es una instrucción que opera con una variable booleana, y su lógica programable en pseudocódigo es la siguiente: Función Test_and_Set(varTAS) Comienzo Test_and_Set = varTAS varTAS = verdad Fin El algoritmo del proceso que opera con esta función declara una variable booleana valorizada en falso, y su desarrollo en pseudocódigo es: Repetición Mientras Test_and_Set(varTS) FinMientras Sección_crítica varTS = falso Sección_restante Hasta falso

Espera_su_turno

La función Swap o Intercambio es una instrucción que opera sobre el contenido de dos palabras booleanas, y su lógica programable en pseudocódigo es la siguiente: Función Swap(var1, var2) Comienzo varSwap = var1 var1 = var2 var2 = varSwap Fin

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El algoritmo del proceso que opera con esta función declara una variable booleana global valorizada en falso y una variable booleana local, y su desarrollo en pseudocódigo es: Repetición llaveS = verdad Repetición Swap(cerraduraS, llaveS) Hasta llaveS = falso Sección_crítica cerraduraS = falso Sección_restante Hasta falso Estos dos algoritmos no satisfacen el requisito de espera limitada. Para su logro, se debe operar con otras estructuras de datos comunes, un vector booleano de n elementos y una variable booleana, todas inicializadas en falso. El desarrollo en pseudocódigo para el proceso Pi se detalla a continuación: Repetición espLim[i] = verdad llaveS = verdad Mientras espLim[i] Y llaveS FinMientras espLim[i] = falso Sección_crítica j = MOD((i + 1), n) Mientras (j <> i) Y (No espLim[j]) FinMientras Si j = i cerraduraS = falso Sino espLim[j] = falso FinSi Sección_restante Hasta falso

Test_and_Set(cerraduraS)

j = MOD((j + 1), n)

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SEMÁFOROS Las soluciones presentadas en el punto anterior no son fáciles de generalizar a problemas más complejos.

Para superar esta dificultad existe una herramienta de sincronización denominada semáforo.

Un semáforo es una variable entera a la que, una vez que se le ha asignado un valor inicial, sólo puede accederse a través de dos operaciones atómicas: Espera o Wait, y Señal o Signal. Estas operaciones originalmente se llamaban P, del holandés proberen, probar; y V, verhogen, incrementar.

Las definiciones clásicas son: Función Espera(varSem) Comienzo Mientras varSem <= 0 FinMientras varSem = varSem - 1 Fin

Espera_su_turno

Función Señal(varSem) Comienzo varSem = varSem + 1 Fin Cada una de estas funciones son indivisibles, o sea son atómicas y se ejecutan sin interrupción.

El uso de semáforos resuelve el problema de la sección crítica con n procesos. Todos ellos comparten un semáforo mutEx, de exclusión mutua, que recibe un valor inicial de 1.

Cada proceso Pi se desarrolla, en pseudocódigo, de la siguiente manera: Repetición Espera(mutEx) Sección_crítica Señal(mutEx) Sección_restante Hasta falso PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 12 ----------------- 214

Otro problema de sincronización a resolver es cuando dos procesos se ejecutan concurrentemente, pero el enunciado E1 del primero debe ejecutarse antes que el enunciado E2 del segundo, o sea, la ejecución del segundo enunciado debe comenzar sólo después que el primero finaliza.

En este caso se puede implementar un esquema donde ambos procesos compartan un semáforo, con valor inicial 0, e insertando las instrucciones siguientes: Proceso E1

...

E1 Señal(varSem) ...

Proceso E2

...

Espera(varSem) E2 ...

Estas operaciones conllevan espera activa. Una alternativa a esta situación es que el proceso se bloquee, colocándolo en una cola de espera asociada al semáforo. En este caso, el proceso cambia a estado de en espera. Un proceso que está bloqueado esperando un semáforo, debe reiniciarse cuando algún otro proceso ejecuta la operación Señal. Un procedimiento Despertar modifica el estado del proceso bloqueado, de en espera a listo.

En este caso, las operaciones del semáforo incluyen una variable entera y una estructura cola de procesos, y su desarrollo en pseudocódigo es el siguiente: Función Espera(varSem) Comienzo varSem = varSem - 1 Si varSem < 0 FinSi Fin

Inclusión_P_en_Cola_varSem

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Función Señal(varSem) Comienzo varSem = varSem + 1 Si varSem <= 0

Eliminación_P_de_Cola_varSem Despertar(P)

FinSi Fin Esta implementación puede hacer que el semáforo tome valores negativos, y su magnitud es el número de procesos en espera de ese semáforo.

El aspecto conflictivo de los semáforos es garantizar su ejecución atómica, o sea asegurar que dos procesos no ejecuten operaciones Espera y Señal para el mismo semáforo al mismo tiempo. Esta dificultad es un problema de sección crítica y se puede resolver de dos maneras.

En un entorno uniprocesador basta con inhibir las interrupciones durante la ejecución de las operaciones Espera y Señal.

En un entorno multiprocesador esto no funciona ya que las instrucciones ejecutadas en distintas UCP se realizan en paralelo de manera arbitraria. De no existir instrucciones de hardware especiales, se aplica cualquiera de las soluciones por software desarrolladas para el problema de la sección crítica, donde las secciones críticas consisten en las funciones Espera y Señal.

La utilización del recurso semáforo con una cola de espera puede generar bloqueo mutuo cuando se manipula más de un semáforo compartido. Esta situación se analiza en otro párrafo.

Los semáforos son un mecanismo efectivo y simple para lograr la sincronización de procesos, pero su uso incorrecto puede ocasionar errores de temporalidad difíciles de detectar ya que sólo suceden si tienen lugar ciertas secuencias de ejecución específicas, y éstas no siempre se presentan.

Las dificultades surgen aún si un solo proceso se comporta incorrectamente como resultado de un error de programación. Esto puede resolverse con el apoyo de estructuras diseñadas en lenguajes de alto nivel.

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REGIONES CRÍTICAS La construcción de región crítica previene contra ciertos errores sencillos asociados a la implementación de semáforos en el problema de la sección crítica, reduciendo la posibilidad de error de programación.

No elimina todos los errores de sincronización, pues si hay error de lógica en el programa no los detecta.

Es una construcción de sincronización introducida en los lenguajes de alto nivel.

Requiere declarar una variable a ser compartida por muchos procesos.

A los efectos de este estudio, se supone que un proceso consiste en datos locales y una secuencia de instrucciones que operan sobre dichos datos. Es decir, un proceso no puede acceder directamente a los datos locales de otro proceso, pero sí compartir datos globales.

En este caso, sólo se permite acceder a la variable compartida dentro de un enunciado Region que tiene la forma: Region varGlobal Cuando exprBooleana Hacer E Esta construcción de programación implica que mientras se está ejecutando el enunciado E, ningún otro proceso puede operar con la variable varGlobal.

Una expresión booleana controla el acceso a la región crítica.

Cuando un proceso intenta ingresar en la región de sección crítica, se evalúa la expresión booleana correspondiente.

Si es válida, se ejecuta el enunciado.

Caso contrario, debido a la mutua exclusión, el proceso tiene que esperar hasta que la expresión se torne verdadera, lo que significa que ningún otro proceso está procesando su región crítica.

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MONITORES El monitor es una construcción de programación para procedimientos de sincronización.

Se caracteriza por un conjunto de operadores definidos por el programador.

La representación de un tipo monitor consiste en declaraciones de variables cuyos valores definen el estado de un ejemplar o instancia del tipo, así como los cuerpos de funciones o procedimientos que implementan operaciones con dicho tipo.

Los procesos diversos no pueden utilizar directamente la representación de un tipo monitor.

Así, un procedimiento definido dentro de un monitor sólo puede acceder a las variables declaradas localmente dentro del monitor y a los parámetros formales.

De manera similar, los procedimientos locales pueden acceder a las variables locales de un monitor solamente.

La construcción de monitor garantiza que sólo puede estar activo un proceso de monitor a la vez.

El programador no necesita codificar esta restricción de sincronización explícitamente.

Sin embargo, tal como se la ha definido, esta construcción no es lo bastante potente como para modelar todos los esquemas de sincronización, requiriendo definir mecanismos adicionales de sincronización.

Para ello se incluyen variables de tipo condición, a las cuales sólo se pueden aplicar las operaciones Espera y Señal.

Cabe señalar que las dificultades que surgen con la construcción de sección crítica respecto a su mala implementación a nivel programación, pueden extenderse al uso de monitor.

Para garantizar que los procedimientos respeten las secuencias apropiadas, se debe verificar que los procesos hagan siempre sus llamadas al monitor en el orden correcto.

A su vez, debe cuidarse que un proceso no cooperativo no haga caso omiso a la puerta de mutua exclusión que el monitor proporciona intentando acceder directamente al recurso compartido sin emplear los protocolos de acceso. Este problema de control de acceso puede resolverse mediante el mecanismo de protección.

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12.12.Bloqueo mutuo o abrazo mortal Cuando un proceso solicita recursos, estos pueden no estar disponibles, pasando a un estado de espera.

Puede suceder que éste nunca vuelva a cambiar de estado porque los recursos pedidos están en manos de otros procesos que también están aguardando.

Esta situación se denomina bloqueo mutuo, abrazo mortal o deadlock.

Como se sabe, un proceso debe pedir un recurso antes de usarlo para realizar la tarea asignada, y lo libera después de utilizarlo. Este modo de funcionamiento consta de la secuencia que sigue: Solicitud:

Uso: Liberación:

El proceso solicitante pide el recurso mediante una llamada al sistema.

Si no puede atenderse de inmediato este pedido, aguarda hasta que se lo asigne. El sistema lo coloca en una cola de procesos en espera de dicho recurso.

Una vez adquirido el recurso, el proceso opera con él.

Cuando ya no es necesario, el proceso libera el recurso invocando al sistema.

El sistema registra si un recurso está disponible o asignado, y a qué proceso.

Un conjunto de procesos está en un estado de bloqueo mutuo si cada uno de los procesos del conjunto está esperando un suceso que sólo otro proceso del conjunto puede causar.

Para que esto suceda, deben cumplirse estas cuatro condiciones simultáneamente: 1. Mutua exclusión: Al menos un recurso se adquiere de modo no compartido.

Si otro proceso solicita ese recurso el solicitante espera hasta la liberación del mismo.

2. Retener y esperar: Debe existir un proceso que haya adquirido al menos un recurso, y esté aguardando para obtener otros adicionales ya asignados a otros procesos.

3. No expropiación: La liberación de un recurso es voluntaria por parte del proceso que lo adquirió.

Los recursos no se pueden arrebatar.

4. Espera circular: Existe un conjunto de procesos en espera, {P0, P1, ..., Pn}, tal que P0 espera un recurso adquirido por P1, P1 aguarda un recurso otorgado a P2, así de seguido, P(n – 1) espera un recurso que fue otorgado a Pn, y Pn aguarda un recurso adquirido por P0.

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Un abrazo mortal puede describirse mediante un grafo dirigido denominado grafo de asignación de recursos del sistema, consistente en un conjunto de vértices V y un conjunto de aristas A. V se divide en dos tipos de nodos diferentes, el conjunto de todos los procesos activos del sistema y el conjunto de todos los tipos de recursos existentes.

Las aristas pueden ser de solicitud, entre un nodo proceso y uno recurso, o asignación, entre un nodo recurso y uno proceso.

MÉTODOS PARA MANEJAR BLOQUEOS MUTUOS El sistema cuenta con tres algoritmos básicos para enfrentar el problema de abrazo mortal: 1.

1.1.

1.2.

2.

3.

Garantizar que nunca suceda mediante las siguientes opciones: Prevenir Evitar Permitir el suceso y recuperar el sistema de tal situación Desatenderse del problema

Para asegurarse que nunca se produzca deadlock, el sistema puede aplicar un esquema de prevención de bloqueos mutuos, o evitarlo.

El primer caso, la PREVENCIÓN DE BLOQUEOS MUTUOS, se logra mediante una serie de métodos garantizando que al menos una de las condiciones necesarias antes detalladas, no se cumple al restringir la forma de hacer un pedido de recursos.

La condición de mutua exclusión se inhibe no permitiendo el uso exclusivo de un recurso, situación que no siempre se da pues existen recursos que, intrínsecamente, no pueden ser compartidos.

Para garantizar que no ocurra la condición de retener y esperar, puede aplicarse un protocolo que obligue al proceso a solicitar y recibir sus recursos antes de iniciar su uso, o sólo permitir que tenga adquirido un recurso por vez lo que significa que puede pedirlo cuando no tiene ningún otro asignado. En un caso, el rendimiento del sistema se degrada; la otra opción puede llevar a la inanición.

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La no expropiación puede no cumplirse mediante la liberación implícita de los recursos asignados al proceso cuando solicita otro que ya está siendo usado por algún otro proceso.

Los recursos expropiados se agregan a la lista de recursos que el proceso está aguardando, retomando su ejecución cuando pueda recuperar sus recursos anteriores y los nuevos que acaba de pedir.

Otra alternativa es comprobar que los recursos solicitados estén disponibles. De ser así, se otorgan; de lo contrario, se determina si están asignados a otro proceso que está en espera de recursos adicionales.

Siendo el caso, se quitan los recursos deseados al proceso que está aguardando, asignándoselos al que los solicitó. Si los recursos no están disponibles ni están retenidos por un proceso en espera, el solicitante debe esperar. Un proceso se reinicia si se le han asignado los recursos nuevos que pidió y si recuperó los recursos perdidos durante la espera.

Existen técnicas que emplean marcas temporales para decidir si expropiar o no. El esquema esperar-morir está basado en un algoritmo sin expropiación, en donde la transacción solicitante espera o retrocede. Su opuesto, el esquema herir-esperar es expropiativo y el solicitante espera o hace retroceder al proceso que tiene los recursos pedidos por él.

La forma de asegurar que la condición de espera circular no se produzca es imponer un orden en el que se solicitan los recursos.

Por otro lado, EVITAR BLOQUEOS MUTUOS requiere proporcionar al sistema información anticipada respecto de los recursos que un proceso solicita y usa. Estos datos adicionales permiten al sistema decidir si, ante una solicitud, el proceso espera o no. Para ello se debe considerar la disponibilidad, las asignaciones a procesos, y los futuros pedidos y liberaciones de cada proceso, previo a decidir si la solicitud en curso se satisface o difiere.

Los distintos algoritmos se distinguen por la cantidad y tipo de información requerida examinando dinámicamente el estado de asignación de recursos para asegurar que nunca se dé una espera circular.

El estado de asignación de recursos está definido por el número de recursos disponibles y asignados, y las demandas máximas de los procesos. Un estado es seguro si el sistema puede otorgar recursos a cada proceso en algún orden y aún así evitar el abrazo mortal, o sea, si existe una secuencia segura.

En términos formales, una secuencia de proceso {P0, P1, ..., Pn} es una secuencia segura para el estado de asignación actual si, para cada Pk los recursos que todavía puede pedir se pueden satisfacer con los recursos que actualmente están disponibles más los recursos que tienen todos los Pj, donde j < k.

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Un estado seguro no es un estado de bloqueo mutuo, mientras que un estado de bloqueo mutuo es un estado inseguro, pero no todos los estados inseguros son bloqueos mutuos.

Puede aplicarse un algoritmo de grafo de asignación de recursos, agregando una arista de reserva, para implementar la alternativa de evitar abrazos mortales.

El segundo esquema, DETECCIÓN DE BLOQUEOS MUTUOS Y RECUPERACIÓN, presupone contar con un algoritmo que examina el estado del sistema para determinar si se produce un abrazo mortal, y otro para recuperarse de dicha situación.

Cabe señalar que este método requiere un gasto adicional que incluye no sólo los costos en tiempo de ejecución de mantener información necesaria y ejecutar el algoritmo de detección, sino también las pérdidas potenciales inherentes a la recuperación.

Si todos los recursos tienen un único ejemplar, se puede definir un algoritmo de detección utilizando un grafo de espera, variante del grafo de asignación de recursos antes mencionado. Esta estructura se obtiene a partir del grafo de asignación de recursos, pero eliminando los nodos de tipo de recursos y uniendo las aristas apropiadas.

Existe un abrazo mortal en el sistema si y sólo si el grafo de espera contiene un ciclo.

El sistema debe mantener el grafo de espera e invocar periódicamente un procedimiento que busque ciclos en dicha estructura. Este algoritmo tiene un tiempo de ejecución O(n2) donde n es el número de vértices del grafo.

De existir varios ejemplares de un tipo de recursos, debe emplearse otras varias estructuras.

El procedimiento de detección debe activarse dependiendo de la frecuencia con que es probable que ocurran abrazos mortales y la cantidad de procesos que involucra.

Generalmente no se puede detectar cuál de los muchos procesos bloqueados originó el deadlock.

En cuanto a la recuperación, existen varias alternativas.

Una opción es informar al operador y que éste lo maneje manualmente.

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La otra posibilidad es que el sistema se recupere automáticamente.

En este caso, el sistema puede abortar uno o más procesos para romper la espera circular, o expropiar recursos de uno o más de los procesos bloqueados.

Si elige abortar los procesos, puede decidir cancelar todos los procesos bloqueados, o uno por vez hasta eliminar el ciclo de abrazo mortal.

La terminación parcial implica definir cuál o cuáles procesos se terminan, decisión política que se debe analizar ya que muchos factores influyen en la selección, entre los que se pueden mencionar, prioridad del proceso, tiempo de ejecución utilizado, cantidad de recursos empleados, recursos adicionales requeridos, cantidad de procesos a cancelar, modo de procesamiento interactivo o batch.

Si la recuperación se basa en expropiar recursos, se debe considerar tres aspectos, la selección de la víctima determinando el orden de expropiación para minimizar costos, el algoritmo de retroceso del proceso expropiado para garantizar un estado seguro y desde allí reiniciarlo, y la inanición asegurando que un proceso sea escogido como víctima un número finito y pequeño de veces.

Por último, IGNORAR BLOQUEOS MUTUOS es otra posibilidad.

Tal como se indica en el punto 3, hay sistemas que no cuentan con ninguna de las opciones anteriores, por lo que puede llegar a suceder una situación de bloqueo mutuo no detectado, causando el deterioro del desempeño del sistema. Éste deja de funcionar y debe reiniciarse manualmente.

Como conclusión se destaca que, en términos generales, ninguna estrategia de manejo de abrazo mortal es apropiada por sí sola si se considera el amplio espectro de problemas de asignación de recursos que se presentan en un sistema informático.

Una posibilidad es combinar los tres enfoques básicos expuestos para optar por la óptima dependiendo de la clase de recurso. Esta alternativa se basa en la comprobación de que los recursos pueden dividirse en tipos con un ordenamiento jerárquico, y aplicar un algoritmo de ordenamiento de recursos a las clases, usando en cada una de ellas la técnica más adecuada. Un sistema que implementa esta solución mixta no está sujeto a bloqueos mutuos.

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13.SISTEMA DE ARCHIVOS 13.01.Introducción La amplia variedad de sistemas de almacenamiento de una computadora puede clasificarse jerárquicamente según costo y velocidad, de la siguiente manera: Registro:

Componente flip-flop ubicado en la UCP.

Memoria caché:

Memoria rápida ubicada entre la UCP y la memoria principal.

Compensa diferencia de velocidad entre ambos componentes.

Memoria principal o central:

Área donde reside la imagen del proceso al momento de ejecutar sus instrucciones.

Memoria secundario o auxiliar:

Disco electrónico Disco magnético Disco óptico Cinta magnética Tarjeta multimedia o MMC Tarjeta data traveller o DT Tarjeta digital o SD Dispositivo lapicera o pen drive

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Discos magnéticos Los discos magnéticos son el medio de almacenamiento secundario más utilizado en los sistemas informáticos actuales.

Conceptualmente un disco magnético se compone de un conjunto de platos, de forma circular plana.

Las dos superficies del plato, cada una denominada cara, están cubiertas por un material magnético.

La información se almacena grabándola magnéticamente en dichas caras.

La superficie de cada cara se divide en pistas circulares que a su vez se subdividen en sectores.

El conjunto de pistas de igual diámetro componen un cilindro.

Una cabeza lectora grabadora vuela muy próxima a cada superficie de cada cara magnetizada.

Estas cabezas están unidas a un brazo accionador que mueve todas las cabezas como una unidad.

Cuando la unidad de disco está funcionando, el conjunto de platos gira, a partir de un eje común que rota mediante un motor a alta velocidad. sector

eje

cabeza l-g

accionador

pista cilindro

plato

brazo rotación

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La velocidad de este dispositivo tiene dos componentes: Tiempo de posicionamiento Tasa de transferencia Tiempo de posicionamiento o tiempo de acceso aleatorio: Involucra dos lapsos correspondientes a dos acciones: Tiempo de búsqueda Tiempo de latencia rotacional Tiempo de búsqueda: Tiempo de latencia rotacional:

Tasa de transferencia:

Es el lapso que tarda el brazo del disco en moverse hasta ubicar la cabeza lectora grabadora en el cilindro deseado.

Es el lapso que demora el eje en girar hasta que dicha cabeza se encuentra sobre el sector.

Es la rapidez con que los datos fluyen entre la unidad y el resto del sistema informático.

Toda entrada/salida a dispositivos de almacenamiento masivo se realizan en unidades de un bloque.

En el caso de unidades de disco, la longitud del bloque o registro físico corresponde al tamaño del sector.

Un cluster o cúmulo es un conjunto de sectores contiguos reconocidos como unidad.

Para tener una noción de magnitudes, siempre relativas puesto que éstas varían con el avance tecnológico, se puede considerar lo siguiente: Las unidades giran entre 60 y 150 revoluciones por segundo.

El tiempo de posicionamiento se mide en milisegundos.

La transferencia de información se mide en Mbytes por segundo.

El diámetro de los platos varía entre 1.8 y 5.25 pulgadas.

La cabeza vuela sobre un colchón de aire delgado medido en micras.

La capacidad de almacenamiento se mide en Gbytes.

Puede haber miles de cilindros concéntricos en una unidad de disco.

Cada pista puede contener cientos de sectores.

Cada sector contiene 512 bytes.

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13.02.Concepto de archivo El concepto de archivo está íntimamente ligada al almacenamiento masivo.

Una computadora puede guardar información en diversos medios, como los indicados en el punto anterior.

Físicamente un ARCHIVO es una secuencia de bloques dentro de un dispositivo, pues todas las funciones básicas de entrada/salida operan en términos de bloques.

Con el objeto de facilitar el uso del sistema informático, el sistema operativo proporciona una vista lógica uniforme del almacenamiento, abstrayendo las propiedades físicas de sus dispositivos, y define una unidad de almacenamiento lógica, denominada archivo.

Un ARCHIVO es una colección de datos relacionados que comparten las mismas características, guardados en un almacenamiento secundario y a la cual se le asigna un nombre.

A cada elemento del conjunto se lo denomina REGISTRO. El REGISTRO FÍSICO tiene correspondencia con el bloque. Es la mínima unidad de transferencia.

El REGISTRO LÓGICO contiene un integrante del conjunto, individualizado como unidad lógica.

Es poco probable que el tamaño del registro físico coincida exactamente con la longitud del registro lógico.

Un archivo tiene una cierta estructura de acuerdo a su tipo.

Un archivo de texto es una secuencia de caracteres organizados en líneas. Cada carácter se almacena en un byte. Cada línea corresponde a un registro dentro del archivo.

Un archivo objeto es una secuencia de bytes organizados en bloques comprensibles para el proceso vinculador.

Un archivo ejecutable es una serie de secciones de código máquina que el proceso cargador puede leer y ubicar en la memoria principal para su ejecución.

Un archivo con estructura de base de datos, o sea un sistema de manejo de base de datos o DBMS es un conjunto de datos relacionados entre sí y un grupo de procedimientos o programas para su manejo.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 228

13.03.Directorio Un archivo consta de características que le son propias: nombre, tipo, ubicación, tamaño, fecha de creación, y otros atributos.

La información acerca de estos atributos se almacena en una estructura dentro del dispositivo de almacenamiento masivo donde se aloja el archivo, denominada DIRECTORIO de dispositivo o tabla de contenido del volumen.

El directorio puede verse como una tabla de símbolos que traduce nombres de archivo en sus entradas de directorio.

La estructura de directorio más sencilla es la de un solo nivel. Todos los atributos de los archivos se almacenan en un único directorio, fácil de manejar y mantener.

La desventaja principal es la confusión de nombres de archivos entre los diferentes usuarios.

La solución es crear un catálogo individual para cada usuario.

En la estructura de directorio de dos niveles cada usuario tiene su propio directorio de archivos de usuario, user file directory o UFD. A su vez se mantiene un catálogo de archivos maestro, master file directory o MFD, el cual está indizado por nombre de usuario o número de cuenta. Cada entrada apunta al UFD de ese usuario.

Un directorio de dos niveles puede concebirse como un árbol de dos niveles.

La generalización natural es extender la estructura de directorios a un árbol con altura arbitraria, permitiendo a los usuarios crear sus propios subdirectorios.

Ampliando las posibilidades, puede diseñarse un directorio con estructura de grafo acíclico o grafo general.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 229

13.04.Operaciones con archivos Un archivo es un tipo de datos abstracto. Definirlo debidamente requiere considerar las operaciones que se pueden realizar sobre dichas estructuras.

Operaciones elementales: CREAR

archivo

ELIMINAR

archivo

ESCRIBIR

registro_de_archivo

LEER

registro_de_archivo

MODIFICAR registro_de_archivo BORRAR

registro_de_archivo

El usuario solicita estas operaciones al sistema operativo mediante órdenes al intérprete de comandos, o llamadas a procedimientos.

Para ello, el sistema operativo necesita tener a disposición en memoria principal, las características del archivo sobre el que opera, información que está almacenada en el directorio del dispositivo.

Entonces, previo a trabajar con un archivo debe garantizarse que dicha información esté a su alcance.

El usuario indica esta acción con la operación ABRIR archivo.

Mediante esta orden, el sistema operativo transfiere el valor de los atributos del archivo indicado a una estructura en memoria principal que contiene los archivos en uso, denominada tabla de archivos abiertos.

Cuando el usuario deja de usar el archivo, lo informa mediante la operación CERRAR archivo, para que el sistema operativo elimine su entrada de la tabla, actualizando su información en el directorio.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 230

13.05.Gestión de espacio libre Para almacenar archivos en los dispositivos, el sistema operativo debe controlar y distribuir el espacio existente en cada unidad de almacenamiento.

La mínima unidad de gestión es el bloque físico o sea un sector.

La GESTIÓN DE ESPACIO LIBRE administra los bloques físicos libres y ocupados dentro de un dispositivo dado.

Existen distintos métodos de gestión de acuerdo a la estructura que utiliza para mantener información asociada a los bloques físicos libres y ocupados. Se mencionan: Mapa de bits o bitmap:

Tabla de bloques libres:

Conteo:

Lista enlazada:

Es un vector de bits. Cada bloque se representa con un bit.

La posición del bit dentro del vector se asocia a la dirección del bloque.

Si el bloque está libre, el bit toma valor 1, si está ocupado, 0.

Método ágil, permite registrar los bloques libres contiguos de manera sencilla.

Su mantenimiento total en memoria principal requiere ocupar un espacio proporcional al tamaño del dispositivo, desventaja si es de gran capacidad.

A esta técnica se la denomina agrupamiento.

Se confecciona una tabla con la dirección de los bloques libres.

En el primer bloque libre se guardan las direcciones de n bloques.

Las primeras (n – 1) direcciones de bloque corresponden a bloques libres.

La última dirección es un puntero a la continuación de dicha tabla.

Es una estructura similar a la anterior pero la tabla es de doble entrada.

Almacena la dirección del primer bloque libre y la cantidad de bloques libres contiguos que siguen a éste inclusive.

Reduce el tamaño de la estructura anterior, y permite registrar los bloques libres contiguos de manera sencilla.

Los bloques de la unidad que se encuentran libres, se enlazan entre sí.

Se mantiene un puntero al primer bloque libre en una posición especial.

El primer bloque contiene un puntero al siguiente, y así sucesivamente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 231

13.06.Métodos de asignación de espacio Los MÉTODOS DE ASIGNACIÓN DE ESPACIO hacen referencia a dónde está físicamente un archivo dentro de un dispositivo.

Hay varios métodos de asignación, pero cada archivo puede tener sólo uno.

Los sistemas operativos permiten que el usuario decida qué estructura prefiere de acuerdo a la utilización lógica de los registros, que se analiza en el punto siguiente.

Entre las posibilidades, se mencionan las asignaciones: Contigua:

El archivo ocupa un conjunto de bloques consecutivos en el disco.

Se debe indicar el tamaño del archivo al momento de su creación. El sistema no autoriza que su crecimiento supere dicho valor.

Permite aprovechar la facilidad de lectura adelantada del sistema operativo.

Enlazada:

El archivo es una secuencia de bloques enlazados entre sí.

El archivo se encuentra disperso dentro de la unidad.

Esta estructura física exige un acceso lógico secuencial.

Indizada:

El archivo se encuentra disperso dentro de la unidad.

Se mantiene una tabla con la nómina en secuencia de los bloques.

Esta tabla de punteros se denomina bloque índice.

Contigua de a tramos:

Combina el método contiguo e indizado.

Una tabla indica la nómina en secuencia del primer bloque de cada cúmulo.

Todos los cúmulos o elementos de un archivo tienen igual longitud.

El archivo crece de a cúmulos, tramos o grupo de bloques contiguos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 232

13.07.Métodos de acceso El MÉTODO DE ACCESO de un archivo es la manera en que están almacenados lógicamente los registros dentro de un archivo.

Da cuenta de su estructura lógica e implica localizar una posición relativa dentro del archivo.

Algunas estructuras trabajan con el concepto de clave. Una clave es un identificador que permite reconocer o individualizar un determinado registro lógico dentro de un archivo de manera única.

Entre los métodos de acceso, se detallan: Secuencial:

Los registros se almacenan uno a continuación del otro.

La información se procesa en orden, un registro tras otro.

Para procesar el registro n, se debe acceder al registro (n – 1).

Ejemplo, un archivo de texto.

Directo o relativo:

El archivo se visualiza como una secuencia numerada de registros.

La estructura consta de registros de longitud fija.

Se puede acceder a cualquier registro de manera arbitraria.

No hay restricciones sobre el orden de lectura o escritura de un elemento.

Cada uno tiene un identificador que es su número de orden dentro del archivo.

Aleatorio:

Los registros se colocan en una estructura denominada paquete, balde o bucket.

El archivo está dividido en n paquetes de tamaño fijo.

A partir de la clave, el método de acceso calcula la dirección relativa de esta zona, mediante una función de hashing o aleatorización.

Dentro de cada paquete, los registros se almacenan en orden consecutivo de llegada.

Indexado:

El principio de esta organización es asociar a la clave del registro, su dirección relativa dentro del archivo, mediante una tabla de contenido denominada índice.

Esto requiere mantener dos estructuras, una para contener los datos, y otra para almacenar el índice.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 233

13.08.Implementación del sistema de archivos El sistema operativo consta de un módulo relacionado al manejo de archivos, que permite al usuario almacenar, buscar y recuperar los datos con facilidad.

Un sistema de archivos contempla dos aspectos.

El primero está relacionado a la necesidad del usuario, e implica la definición del archivo y sus atributos, las operaciones sobre él y la estructura de directorio para catalogarlos.

Por otro lado, proporciona procedimientos y estructuras de datos que establezcan una correspondencia entre el sistema de archivos lógico y los dispositivos de almacenamiento secundario físicos.

Esto significa que el sistema de archivos se compone de muchos niveles diferentes, generalmente estructurado por capas.

Cada nivel del diseño aprovecha las funciones de los niveles inferiores, para crear otras funciones propias, que se utilizan en los niveles superiores, y viceversa.

Una implementación posible entre los programas de aplicación y el hardware del sistema informático se detalla a continuación: Programas de aplicación:

Incluye métodos de acceso a archivos y manejadores de base de datos.

Este módulo puede considerarse parte del sistema de archivos de un sistema operativo, o ser propio de los sistemas de usuario.

Se encarga de manipular la estructura lógica de los archivos.

Administra los registros lógicos dentro de un archivo.

Sistema de archivos lógico: Incluye los módulos de gestión de directorio, protección y seguridad.

Puede ser considerada la capa de nivel superior.

Se comunica hacia arriba con los programas de aplicación.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 234

A partir de un nombre de archivo simbólico, emplea la estructura de directorio para proporcionar información al módulo de organización de archivos.

Módulo de organización de archivos: Incluye métodos de asignación de espacio y gestión de espacio libre.

Recibe información del sistema de archivos lógico.

Convierte las direcciones de bloques lógicos a direcciones de bloques físicos para que el sistema de archivos básico pueda realizar la transferencia.

Sistema de archivos básico: A partir de información que le provee el módulo de organización de archivos, convierte las direcciones físicas a un formato apropiado para el nivel inferior.

De tratarse de una entrada/salida a disco, emite órdenes genéricas al driver de software correspondiente, traduciendo un número de dirección física a unidad, cilindro, cara, sector.

Control de entrada/salida:

Se compone de drivers o controladores de software y manejadores de interrupciones para transferir información entre la memoria principal y el sistema de almacenamiento masivo.

Incluye la planificación de entrada/salida, o sea, la determinación del orden en que se atienden los pedidos, y manejo de buffers.

Es la capa de nivel inferior.

Convierte las solicitudes del nivel superior en instrucciones de bajo nivel específicas para el hardware, utilizadas por el controlador de hardware, que a su vez se comunica con el dispositivo de entrada/salida.

Hardware:

Es el componente físico y corresponde al nivel físico de los datos.

Incluye canales, controladores y dispositivos de almacenamiento masivo.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 13 ----------------- 235

13.09.Subsistema de entrada/salida del núcleo La capa de control de entrada/salida ofrece muchos servicios, apoyados en el hardware del equipo y la infraestructura de los controladores de dispositivo en software o drivers.

Además de vigilancia del estado de los dispositivos, manejo de errores y recuperación después de fallos, provee ciertos mecanismos para simplificar y optimizar la transferencia de datos, entre los que se detallan:

PLANIFICACIÓN DE ENTRADA/SALIDA` Planificar un conjunto de solicitudes de entrada/salida significa determinar un orden de ejecución de dichos pedidos, mejorando el desempeño global del sistema.

Permite repartir equitativamente el acceso a los recursos periféricos por parte de los procesos reduciendo el tiempo de espera promedio de las operaciones.

USO DE BUFFERS Un buffer es un área de memoria en la que se almacenan datos mientras se transfieren entre dos dispositivos o entre un dispositivo y una aplicación. Funciona como amortiguador.

Mitiga la diferencia de velocidad entre dos dispositivos, uno productor y otro consumidor, de un flujo de datos.

Se emplea como adaptador entre dispositivos que tienen diferentes tamaños de transferencia de datos, o entre el registro físico utilizado en la transferencia y el área del registro lógico de la aplicación.

Además sirve de apoyo a la semántica de copiado de entrada/salida de aplicaciones.

La técnica de buffering o amortiguamiento permite solapar la entrada/salida de un proceso con su propia computación.

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USO DE SPOOL Un spool es un buffer que contiene entradas o salidas para un dispositivo que no puede aceptar corrientes de datos intercaladas. También sirve para procesar datos en sitios remotos.

Si bien algunos periféricos, como impresora o scanner, sólo pueden dar servicio a una aplicación por vez, es posible que varios procesos concurrentes o en paralelo, deseen operar sobre el mismo dispositivo al mismo tiempo, sin que la información se mezcle.

El sistema operativo resuelve este problema interceptando todas estas operaciones.

De tratarse de operaciones de escritura, la salida de cada aplicación se almacena en un archivo dentro de un almacenamiento masivo. Cuando la aplicación finaliza su procedimiento sobre alguno de estos periféricos, el sistema de spool coloca el archivo spool correspondiente en la cola del dispositivo requerido.

Esta forma de procesamiento se denomina spooling, nombre acrónimo de simultaneous peripheral operation on-line, u operación periférica simultánea en línea.

En esencia, un dispositivo de almacenamiento masivo se utiliza como buffer de gran tamaño, para leer por adelantado hasta donde sea posible de los dispositivos de entrada, y para guardar los archivos de salida hasta que los periféricos de salida puedan aceptarlos.

El spooling superpone la entrada/salida de un trabajo al cómputo de otros trabajos.

USO DE CACHÉ Un caché es una región de memoria rápida que contiene copias de datos.

El acceso a la copia en caché es más eficiente que el acceso al original.

Por ejemplo, las estructuras de datos del sistema operativo; o las instrucciones del proceso que está los cachés secundario y primario de la UCP para agilizar su ejecución.

La diferencia entre un buffer y un caché es que el primero podría contener la única copia existente de un elemento de información, mientras que por definición el segundo sólo contiene un copia en almacenamiento más rápido de un elemento que existe en otro lado.

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14.ANÁLISIS DE SISTEMAS 14.01.Introducción Un sistema es un conjunto de programas, por lo tanto, cualquier software de base o de usuario está compuesto por un número no determinado de programas dependiendo del objetivo.

Se retoma lo expuesto en capítulos anteriores respecto al concepto de sistema.

En esos capítulos se desarrollan las etapas a seguir, una vez diseñado el sistema, para que el usuario logre que sus requerimientos lleguen al procesador y puedan ser ejecutados, o sea su aplicación a nivel programación.

Previo a ello, se debe analizar qué es lo que el usuario desea que el sistema informático le brinde.

Esto implica una etapa de estudio del proyecto.

De la misma manera que previo a la fabricación de un automóvil se diseña el modelo para verificar su comportamiento, o una costurera utiliza moldes en papel antes de cortar la tela para garantizar el formato correcto de cada una de las partes a confeccionar, los sistemas deben modelarse.

En la fase de desarrollo de un sistema, o sea antes de que se realice y tenga existencia real, se debe poder visualizar.

Esto se logra a través de modelos.

Un modelo es la representación de la realidad.

Una modelización efectiva debe ser simple, flexible y basada en el principio universal de encapsulado.

Dado que el análisis del proyecto consta de múltiples actividades, existen diversos modelos para reflejar los distintos aspectos del sistema.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 239

14.02.Ciclo de vida de un proyecto Desde una aproximación orgánica de desarrollo, el ciclo de vida de un proyecto se compone de las siguientes etapas:

-

DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS

-

EXPLORACIÓN

-

COMPRENSIÓN

-

ORGANIZACIÓN

-

ESPECIFICACIONES

-

VERIFICACIÓN

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 240

DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS En esta etapa se realiza la modelización global del sistema, previo estudio de factibilidad.

Se desarrolla a nivel empresa.

EXPLORACIÓN En esta etapa se realiza el modelo de entorno, que abarca el estudio de las diversas interfaces y eventos o estímulos externos al sistema.

Se representa mediante el modelo ambiental que incluye: . EP

Enunciado de propósitos: Es la guía de modelización.

. LE

Lista de eventos: Se puntualizan los aspectos salientes de los estímulos externos al sistema.

. DC

Diagrama de contexto: Muestra el vínculo entre el sistema y el afuera.

. DD

Diccionario de datos: Se comienza a confeccionar el diccionario de datos en base a las definiciones de DC.

Esta actividad, y las subsiguientes, se elaboran a nivel sistema, y participan usuarios, analistas y administradores del proyecto.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 241

COMPRENSIÓN Esta etapa se refleja a través del modelo preliminar.

Está a cargo de los analistas.

ORGANIZACIÓN En esta etapa se aplica el modelo de comportamiento.

Durante el desarrollo de esta fase, se seccionan los distintos componentes del sistema.

Las herramientas gráficas que se utilizan en el modelo de comportamiento son: . DFD Diagrama de flujo de datos: Detalla el comportamiento funcional. . STD Diagrama de transición de estados: Indica el comportamiento en el tiempo. . ERD Diagrama de entidad relación o MER: Especifica la estructura de datos.

El analista desarrolla el modelo y el usuario lo revisa.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 242

ESPECIFICACIONES En esta etapa se aplica la modelización del comportamiento completo.

Incluye un estudio complejo del sistema.

Las herramientas textuales utilizadas son: . DD

Diccionario de datos: Contiene todos los nombres y características de los elementos del modelo.

. EPR Especificaciones de procesos: Puntualiza cada procedimiento del sistema, a ser utilizado por los programadores. . RI

Reglas de integridad: Especifica las reglas de integridad a cumplir.

Los responsables de esta fase son los analistas.

VERIFICACIÓN En esta etapa se aplican prototipos o control por parte de los analistas.

Implica la constatación de que los requerimientos de los usuarios se hayan comprendido completa y correctamente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 243

14.03.Características de los diversos modelos Las diversas herramientas de modelización incluyen: Modelo esencial : Modelo de ambiente o entorno: EP

o Enunciado de propósitos

LE

o Lista de eventos

DC

o Diagrama de contexto

DFD

o Diagrama de flujo de datos

STD

o Diagrama de transición de estados

ERD

o Diagrama entidad relación o MER

Modelo de comportamiento:

Modelo preliminar:

El diagrama preliminar, diseñado por los analistas, interrelaciona procesos y permite determinar ambientes distintos de trabajo.

A partir de aquí, agrupando burbujas, se arma el DFD figura 0, utilizado por el nivel medio de la empresa, empleados con rango de jefatura.

Incluye lista de eventos gráfica donde cada evento, representado por una burbuja, corresponde a un proceso.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 244

En un proyecto existen tres elementos a representar: Datos Procedimientos Tiempo Estos elementos pueden ser analizados en un espacio tridimensional, mediante las variables x, y, z, considerando: x y z

= = =

Simboliza la complejidad de las funciones Simboliza la estructura de los datos Simboliza el comportamiento en el tiempo

De acuerdo a esto, se desarrollan las herramientas de modelización, de manera que cada modelo refleja ciertos elementos del proyecto: x

<-

Diagrama de flujo de datos

DFD

y

<-

Diagrama entidad relación

ERD

z

<-

Lista de eventos

LE

x,y

<-

Matriz entidad/proceso

x,z

<-

Diagrama de transición de estados

STD

y,z

<-

Diagrama de transición de estados específicos

ESTD

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 245

LE o lista de eventos Un sistema es una colección de mecanismos estímulo respuesta.

La lista de eventos puntualiza cada estímulo como un evento.

Cada evento satisface los requisitos siguientes: -

Ocurre en el entorno.

-

Ocurre en determinado momento predeterminado o no.

-

Requiere que el sistema dé una respuesta.

Se detalla un nivel de eventos de forma que permita al analista identificar aspectos salientes del funcionamiento.

Los tipos de respuesta pueden ser: -

Recibir o actualizar datos almacenados.

-

Producir flujos de control o datos en circulación.

-

Determinar la ocurrencia de otro evento.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 246

DC o diagrama de contexto Este modelo se utiliza a nivel gerencia.

Muestra el vínculo entre el sistema y el exterior, asumiendo al sistema como único proceso.

El diagrama de contexto es un DFD con un único proceso.

Analiza el sistema y el afuera, sus límites.

Elementos que lo componen: Terminadores

Incluyen: Departamentos de usuarios Personas físicas Dispositivos Sistemas de interfaz

Flujos de datos

Representan los datos entre los terminadores y el sistema.

Sólo se reflejan los enviados en forma directa.

Flujos de control

Simbolizan señales binarias, no transportan datos.

Almacenamiento de datos

Representa la información compartida entre el sistema y los terminadores.

Sólo muestra los datos utilizados como puente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 247

DFD o diagrama de flujo de datos Detalla el comportamiento funcional, el qué.

Elementos que lo componen: Flujos de datos

Se producen entre: Procesos Proceso y terminador Proceso y almacenamiento de datos

Procesos

Representan cada trabajo a realizar.

Almacenamiento de datos

Datos que deben ser conservados o guardados.

Flujos de acceso

Indican localización.

Flujos de control

Incluyen información booleana y señales de control.

Flujos continuos

Representan flujos de control o de datos que persisten en el tiempo.

Notar que ambos pueden ser discretos o continuos.

Procesos de control

Indican aquellos procesos que coordinan el comportamiento de otros.

Procesos continuos

Los procesos, al igual que los flujos, pueden ser continuos o discretos.

Almacenamientos de control

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 248

STD o diagrama de transición de estados Indica el comportamiento en el tiempo, el cuándo.

Elementos que lo componen: Estados

Reflejan los comportamientos constantes que persisten en el tiempo.

Transiciones

Representan los cambios de un estado a otro.

Condiciones

Indican qué debe suceder para pasar de estado.

Acciones

Indican qué sucede para hacer efectivo el cambio de estado.

Son el resultado de una condición.

Prompts

Estas marcas tienen significación a partir de acciones, refieren a ellas.

Señales de control Acciones y condiciones complejas

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 249

ERD o diagrama entidad relación o MER Especifica la estructura de datos.

Permite la especificación de un esquema de la empresa y es útil para hacer corresponder los significados e interacciones de los desarrollos de la realidad con un esquema conceptual, de ahí su aspecto semántico.

El modelo de datos entidad relación visualiza el mundo real como un conjunto de objetos básicos denominados entidades, y vinculaciones entre ellos.

Una entidad es una cosa u objeto del mundo real que se distingue de todos los demás objetos.

Una relación es una asociación entre entidades.

Elementos que lo componen: Entidades

Representan los objetos.

Relaciones

Representan la asociación entre entidades.

Atributos

Describen las características de las entidades y relaciones.

Cardinalidad de mapeo

La correspondencia o razón de cardinalidad expresa el número de entidades a las que otra entidad puede estar asociada mediante un conjunto de relaciones. Depende de la situación real que el conjunto de relaciones modela, indicando las ocurrencias: Uno a uno Uno a muchos Muchos a uno Muchos a muchos

Entidades asociativas

Dependen de la existencia de una relación entre entidades.

Generalización y especialización Corresponde a los supertipos y subtipos de entidades.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 250

Un conjunto de entidades es la totalidad de las entidades del mismo tipo que comparten las mismas propiedades.

Un conjunto de entidades débil es aquel que no tiene suficientes atributos para formar una clave primaria.

Su símbolo es el rectángulo doble.

Un conjunto de entidades fuerte tiene suficientes atributos propios para formar una clave primaria.

Su símbolo es el rectángulo.

Estos conceptos están relacionados con las dependencias de existencia.

Un conjunto de relaciones es un conjunto de relaciones del mismo tipo.

Su símbolo es el rombo.

Los atributos se representan mediante una elipse.

Los conceptos de generalización y especialización corresponden a los supertipos y subtipos de entidades.

Supertipo:

Representa los atributos comunes a todas las ocurrencias de la entidad.

Subtipo:

Subclase de entidad donde se aplica una definición más precisa.

Consta de atributos exclusivos.

Hace explícitas las distinciones.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 251

Especialización:

Es el proceso de designación de subgrupos dentro de un conjunto de entidades.

Un conjunto de entidades puede incluir subgrupos de entidades que se diferencian de alguna forma de las otras entidades del conjunto.

Enfatiza las diferencias, crea distintos conjuntos de entidades de nivel más bajo.

El refinamiento desde un conjunto de entidades inicial en sucesivos niveles de subgrupos de entidades representa un proceso de diseño descendente o top-down.

Generalización:

Es un proceso de diseño ascendente o bottom-up.

Múltiples conjuntos de entidades se sintetizan en un conjunto de entidades de nivel más alto basado en características comunes.

Resalta las similitudes entre conjuntos de entidades de nivel más bajo, oculta diferencias.

Los conjuntos de entidades de nivel más bajo heredan los atributos de los conjuntos de entidades de nivel más alto, y la participación en los conjuntos de relaciones.

Ligaduras de diseño: El vínculo entre los miembros puede ser definido por condición o por el usuario.

Los conjuntos de entidades de nivel más bajo pueden ser disjuntos o solapados.

La ligadura de completamiento puede ser total o parcial.

Agregación:

Una limitante del modelo es que no se puede representar relaciones entre relaciones.

Sin embargo, esta situación existe en el mundo real.

Una agregación es una abstracción a través de la cual las relaciones se tratan como entidades de nivel más alto.

Es una entidad de nivel superior que abarca la relación y las entidades que la conforman.

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DD o diccionario de datos Contiene las definiciones de todos los atributos y elementos utilizados en los diagramas involucrados en la modelización del sistema.

Permite eliminar ambigüedades en la comprensión de los requerimientos del sistema.

Cada componente del sistema debe ser definido una única vez.

Incluye la parametrización o definición de dominios de dichos elementos.

EPR o especificaciones de procesos Detallan los requerimientos de los procesos a bajo nivel.

Es útil como documentación de detalle lógico.

Elementos que lo componen: Descripción del proceso

Objetivos del proceso Vistas del proceso, o sea un inventario de los datos requeridos Algoritmos utilizados

Especificaciones

Procedurales No procedurales

Permite la aplicación de las siguientes herramientas gráficas: Tablas de decisión Árboles de decisión Grafos de decisión

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PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 14 ----------------- 254

15.SISTEMA MANEJADOR DE BASE DE DATOS O DBMS 15.01.Conceptos generales Un SISTEMA MANEJADOR DE BASE DE DATOS o DBMS es un conjunto de datos relacionados entre sí y un grupo de procedimientos o programas para su manejo.

Abstracción de la información Para simplificar la interacción de los usuarios con el sistema, se esconde la complejidad a través de varios niveles de ABSTRACCIÓN DE LA INFORMACIÓN: Físico o interno: Es el nivel más bajo.

Analiza las estructuras de datos complejas en detalle, su organización interna, métodos de acceso.

Describe cómo se almacenan los datos.

Lógico: Analiza la estructura lógica o conceptual de los datos.

Estas estructuras relativamente simples pueden involucrar estructuras complejas en el nivel físico.

Describe qué datos se almacenan y los vínculos entre ellos.

Vista o externo: Es el nivel más alto de abstracción.

A pesar de que las estructuras del nivel lógico son simples, queda algo de complejidad debido al gran tamaño de la base de datos. En particular, a cada usuario le interesa acceder a una parte de dicha información, no a su totalidad.

Para ello, el sistema define la abstracción a nivel externo, lo que el usuario ve.

Describe sólo parte de la base de datos completa.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 255

En base a esto, el DBMS define: INSTANCIA o EJEMPLAR: Colección de información almacenada en la base de datos en un momento dado.

ESQUEMA:

Diseño global de la base de datos. Corresponde al nivel lógico de abstracción, y parte del físico en referencia a las estructuras.

Independencia de datos Es la capacidad para modificar una definición de esquema en un nivel sin que afecte a una definición de esquema en el siguiente nivel superior.

FÍSICA:

Capacidad para modificar el esquema físico sin provocar que los programas de aplicación se reescriban o alteren.

LÓGICA:

Capacidad para modificar el esquema lógico sin causar alteraciones o reescritura en los programas de aplicación.

Lenguajes de bases de datos Permiten especificar y operar sobre los datos del esquema y la instancia.

DDL o lenguaje de definición de datos:

Un esquema se especifica mediante un conjunto de definiciones o instrucciones expresadas mediante este lenguaje especial.

El resultado de dichas operaciones es un conjunto de tablas almacenadas en un área de la base de datos denominada DICCIONARIO DE DATOS, estructura que contiene meta datos.

DML o lenguaje de manipulación de datos: Este lenguaje permite almacenar y operar la instancia.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 256

Modelos de datos Un MODELO es una representación de la realidad.

Un modelo de datos es una colección de herramientas conceptuales para describir los datos, sus relaciones, semántica y consistencia.

Existen tres modelos: Modelo lógico basado en objetos Ejemplo:

Modelo entidad relación Modelo orientado a objetos

Modelo lógico basado en registros Ejemplo:

Modelo relacional

Modelo físico de datos Ejemplo:

Modelo de unificación Modelo de memoria por marcos

Claves Tomando el concepto de clave como identificador, se define: SUPERCLAVE:

Es un conjunto de uno o más atributos que tomados colectivamente permiten identificar unívocamente una entidad o relación en su conjunto.

CLAVE CANDIDATA: Es la superclave con mínima cantidad de atributos.

CLAVE PRIMARIA: Es la clave candidata elegida por el diseñador de la base de datos o analista de sistemas como principal para identificar un elemento dentro de su conjunto.

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Estructura global del sistema Un DBMS se estructura en módulos, cada uno de los cuales se encarga de una tarea específica.

Algunas de estas funciones pueden estar proporcionadas o compartidas con el sistema operativo, en particular, las correspondientes a los niveles de sistema de archivos básico y control de entrada/salida.

A grandes rasgos, los componentes funcionales de un DBMS son los siguientes: Intérprete de DDL:

Interpreta y ejecuta instrucciones de DDL. Opera el diccionario de datos.

Precompilador de DML:

Convierte instrucciones de DML incorporadas a un programa fuente de aplicación, en llamadas a procedimientos normales en el lenguaje anfitrión, generando código fuente apropiado para el compilador asociado al lenguaje de programación.

Compilador de DML:

Traduce instrucciones de DML del lenguaje de consulta asociado, a instrucciones de bajo nivel.

Transforma peticiones de usuario dadas en un lenguaje de consulta, en otras equivalentes optimizadas utilizando los datos estadísticos almacenados.

Para ello, puede realizar la generación de un programa fuente correspondiente, su compilación y vinculación.

Motor de evaluación de consultas: Recibe y ejecuta las instrucciones de bajo nivel.

Su operatoria se apoya en el esquema.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 258

Gestor de almacenamiento:

Proporciona la interfaz entre los diversos procedimientos y la información almacenada, tanto instancia como esquema.

Se vincula con el sistema operativo, e incluye: Gestor de directorio Gestor de espacio libre Gestor de asignación de espacio Gestores para garantizar la validez de la información: Gestor de fiabilidad Gestor de protección Gestor de seguridad Gestor de control de concurrencia Gestor de restricciones de integridad Gestor de memoria intermedia Este último corresponde a la operatoria del sistema de archivos básico y control de entrada/salida del sistema operativo.

Además, la implementación física del sistema incluye las estructuras siguientes: Instancia Diccionario de datos Procedimientos Datos estadísticos Estructuras diversas:

Proporcionan acceso rápido a los datos, por ejemplo, índices.

Se las considera parte de la instancia.

A continuación, se bosqueja el diseño global de un DBMS y sus conexiones.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 259

Administrador de DBMS DDL Intérprete de DDL

Programadores de aplicación

Usuarios normales

DML y lenguaje anfitrión

Interfaz de aplicación

Editor de texto

Usuarios expertos SQL o similar Compilador de DML

Precompilador de DML

Compilador

Vinculador

genera

Código ejecutable de programa de aplicación

Motor de evaluación de consultas

Gestor de almacenamiento

Sistema de archivos del sistema operativo

Procedimientos Instancia Diccionario de datos

DBMS base datos

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Aclaraciones: -

En el rectángulo superior están mencionados los posibles usuarios del sistema.

-

El rectángulo del medio contiene los posibles procesos.

Dichos procesos se discriminan entre procesos del DBMS, representados en rectángulos con línea llena; procesos del sistema operativo, representados en rectángulos con línea punteada; y procedimientos de aplicación, representados en rectángulos con línea entre cortada.

-

Las flechas dobles entre los usuarios y los procesos indican el diálogo entre ellos y los programas en ejecución, su interfaz.

-

Los programadores de aplicación ingresan el código fuente a través de lo que genéricamente se denomina editor de texto, aunque podría tratarse de un módulo propio del lenguaje de programación a emplear.

-

El intérprete de DDL accede al área de diccionario de datos, a través del motor de evaluación de consultas y los sucesivos gestores.

-

El vinculador accede al área de procedimientos, a través del motor de evaluación de consultas y los sucesivos gestores.

-

El código ejecutable de programa de aplicación accede a las áreas de instancia y diccionario de datos, a través del motor de evaluación de consultas y los sucesivos gestores.

-

El compilador de DML puede trabajar de dos formas distintas.

Si genera código ejecutable de programa de aplicación o consulta, se procesa como en el caso anterior, previa ejecución de precompilador, compilador y vinculador.

Si opera como intérprete, accede a las áreas de instancia y diccionario de datos, a través del motor de evaluación de consultas y los sucesivos gestores.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 261

15.02.Modelo relacional En el modelo relacional, las entidades y relaciones se representan por medio de tablas.

Una tabla es, desde el punto de vista matemático, un conjunto de relaciones matemáticas.

Una relación matemática es un subconjunto del producto cartesiano de un listado de dominios.

Sea

r(A,B,C)

/

A  D1,

B  D2,

C  D3

el conjunto de todas las combinaciones posibles son  Di

/ i = 1, ..., 3.

Una fila representa una relación matemática entre un conjunto de valores.

Existen tantas columnas como dominios participen en el producto cartesiano.

En general, una tabla de n columnas debe ser un subconjunto de  Di / i = 1, ..., n.

Una tabla es, desde el punto de vista lógico, un conjunto de filas o registros, y columnas o campos, donde se distribuye la información.

Cada una de dichas filas conforma una tupla, y cada elemento en la columna se lo denomina atributo.

Para cada atributo existe un conjunto de valores permitidos pertenecientes al dominio.

Ejemplo tabla: personas

nombre

apellido

documento

Susana Leandro Juan Sebastián

Ward Ucar Mur Mur

0.000.001 2.256.698 3.333.444 2.123.328

Cada atributo tiene un nombre que debe ser único dentro de dicha tabla y contiene datos de una misma naturaleza.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 262

Tomando como ejemplo la tabla de personas, cada atributo representa una característica respecto a las personas.

Luego las tuplas contienen los datos de cada persona.

Una tupla es la colección de datos presentes en una fila de la tabla, considerando el orden en que se presentan los datos.

Esto lleva a que dos tablas con todos sus atributos iguales pero dispuestos en distinto orden se consideren tablas distintas.

En otras palabras, una tabla es un conjunto de tuplas y una tupla es un conjunto de atributos, debiendo cumplirse que para una misma tabla todas las tuplas tienen la misma cantidad de datos de los mismos tipos y en el mismo orden.

Un mismo atributo puede aparecer en dos esquemas de tablas distintas.

Permite vincular tuplas de relaciones matemáticas diferentes.

Dicho atributo representa al mismo conjunto en ambas tablas.

En el modelo relacional se mantienen los conceptos de esquema, diseño global de la base de datos; e instancia o ejemplar, información contenida en cierto momento.

Notación: r(R)

/

R = (a1, a2, ..., an)



R = (a1:cadena, a2:cadena, ..., an:cadena) r= R= ai =

nombre de la tabla esquema de la tabla atributo de la tabla

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 263

CALIFICACIÓN DE UN ATRIBUTO DE UNA TABLA NULL / NOT NULL PRIMARY KEY / UNIQUE KEY / FOREIGN KEY(t) ATÓMICO / NO ATÓMICO PRIMO / NO PRIMO ANY NOT NULL

Significa que el atributo no admite la no existencia de un valor, es decir, campo nulo, Ascii(0).

PRIMARY KEY

Aplicable a 0 o n atributos de una tabla, indica que los valores de dichos atributos no pueden ser vacíos y en su conjunto, respetando el orden de aparición, son únicos. Pertenecientes a la clave principal, permiten identificar unívocamente a un tupla.

UNIQUE KEY

Corresponde a la clave candidata.

FOREIGN KEY(t)

Indica que el atributo es clave primaria o única de la tabla t.

ATÓMICO

Atributo que toma sólo un valor posible en dicha tupla.

NO ATÓMICO

Atributo multivaluado.

PRIMO

Atributo que forma parte de la clave principal o primaria.

ANY

Se considera un calificador neutro. No restringe los valores del atributo.

El valor NULL se acepta para cualquier atributo, independientemente de su tipo de datos, siempre que no esté calificado como NOT NULL o PRIMARY KEY. Notar que en el ejemplo previo de la tabla de personas, apellido no podría ser un atributo PRIMARY KEY, pero sí documento.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 264

VISTAS No es conveniente que todos los usuarios puedan acceder a la instancia del modelo conceptual completo.

Dado los controles de protección, es posible que se oculte parte de la información a ciertos usuarios.

Una vista es una relación matemática que no es parte del modelo conceptual y se hace visible al usuario en forma de tabla virtual.

Normalmente no tiene instancia permanente.

Cada vez que se hace referencia a esta tabla, el DBMS vuelve a calcularla.

Puede estar formada por algunas columnas de una relación matemática, o la unión de varias columnas de más de una tabla.

No es conveniente la actualización de las base de datos a través de una vista ya que contiene información parcial, aunque el DBMS no restringe esta operación.

En caso de producirse esta solicitud, el DBMS actualiza los datos sobre la tabla real definida en el nivel conceptual e inserta valor NULL en aquellos atributos no explícitos.

El error se genera si no se han indicado los atributos primos, pero el DBMS no inhibe la posibilidad de esta acción ya que en caso contrario no se podría implementar el mecanismo de protección.

OPERACIONES SOBRE LAS TRANSACCIONES Una transacción es la ejecución conjunta de una serie de operaciones.

Entre otras propiedades, la transacción debe ser atómica, o sea ejecutarse completamente o no debe ejecutarse ninguna de sus operaciones.

Las operaciones que se encuentren entre instrucciones del tipo InicioTransacción y FinTransacción forman parte de una transacción.

Por lo tanto, si alguna de las mismas no pudiera efectuarse debería detenerse la ejecución de la transacción y volver al estado previo al comienzo de la misma.

Mientras la transacción está en curso, el sistema guarda en la bitácora información sobre las operaciones que realiza para garantizar la fiabilidad de la base de datos.

Pero además debe poder deshacer una transacción en caso de que ésta no finalice exitosamente.

Para agilizar este último procedimiento, almacena apuntadores hacia los registros de bitácora asociados a las operaciones de dicha transacción simplificando la búsqueda en esta estructura.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 265

CONSIDERACIONES ADICIONALES Cabe destacar que el sistema manejador de base de datos debe no sólo manipular lógicamente a los datos, sino administrar físicamente su locación en el espacio de direccionamiento asignado por el sistema operativo dentro del dispositivo de almacenamiento masivo.

Los DBMS relacionales pequeños almacenan cada tabla en un archivo diferente de modo que simplemente utilizan los servicios del sistema de archivos del sistema operativo.

Los DBMS potentes no usan el sistema operativo subyacente para la gestión de sus estructuras, por el contrario, el sistema operativo asigna a la base de datos un único archivo donde se alojan la instancia, el esquema, el diccionario de datos y los procedimientos. Esto significa que todas las tablas de la base de datos están almacenadas en un solo archivo.

En base a este diseño, el DBMS implementa los niveles de programas de aplicación, sistema de archivos lógico y módulo de organización de archivos, comunicándose directamente con el sistema de archivos básico del sistema operativo. Operan de manera similar a los gestores del sistema operativo correspondientes a cada capa analizados en otro capítulo.

Por ello, necesita incluir los subsistemas: GESTIÓN DE DIRECTORIO:

Gestiona el catálogo de tablas, procedimientos y diccionario de datos de la base de datos.

GESTIÓN DE ESPACIO LIBRE:

Administra el espacio de direccionamiento de la base de datos.

MÉTODO DE ASIGNACIÓN DE ESPACIO: Gestiona la ubicación de cada una de las estructuras.

Sin embargo, a nivel asignación de espacio brinda otras prestaciones, incorporando una estructura adicional denominada agrupación.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 266

La AGRUPACIÓN es un método que permite asignar tuplas o registros de distinto tipo a bloques físicos comunes. Tuplas de distinto tipo significa que corresponden a tablas diversas.

Esto no sería posible de estar las tablas almacenadas en archivos separados ya que el sistema operativo asigna a cada fichero, como mínimo, un bloque físico en el almacenamiento masivo, y éste no puede ser compartido por otro archivo.

El método agiliza las consultas referidas a tuplas de distintas tablas relacionadas entre sí por atributos comunes.

Es muy frecuente esta situación en cualquier sistema de aplicación, en particular, entre una entidad y su relación transaccional, o entre una entidad fuerte y una débil. Es el caso, por ejemplo, de la instancia cliente y cuenta corriente en un sistema de ventas, proveedor y orden de compra en un sistema de suministros, plan de cuentas y movimiento contable en un sistema de contabilidad, empleado y liquidación en un sistema de sueldos, sucursal y cliente en un sistema bancario, o cliente y movimiento de cuenta en la misma aplicación.

Esta estructura de almacenamiento permite acceder a mucha de la información necesaria utilizando una sola operación de entrada/salida, pues en un mismo conjunto de bloques físicos contiguos residen las tuplas vinculadas de las diferentes tablas.

Para ello, cuenta con la facilidad de solicitud de lectura adelantada que brinda el sistema operativo optimizando el rendimiento de este diseño, como así también la opción de grabar varios bloques físicos consecutivos en una sola operación.

Esto permite, por ejemplo en un sistema de ventas, actualizar el saldo de un cliente y dar de alta su factura correspondiente utilizando un solo pedido de entrada/salida a nivel módulo de organización de archivos.

La agrupación es recomendable cuando la mayoría de los accesos combina información de varias tablas, no siendo ventajoso si, por el contrario, lo habitual es recorrer estructuras individuales secuencialmente.

Las tuplas de la tabla cabecera se vinculan mediante punteros.

La agrupación puede anidarse, o sea, contar con varios niveles de tuplas diversas.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 267

Además, debe contar con GESTORES PARA GARANTIZAR LA VALIDEZ DE LA INFORMACIÓN por ser un sistema interactivo: FIABILIDAD: Refiere al mecanismo de control contra daños físicos que puedan sufrir los datos.

Ejemplos: Recuperación de caídas basado en resguardo general combinada con la técnica de bitácora inmediata o diferida; discos espejados.

PROTECCIÓN: Refiere al mecanismo de control de acceso a los recursos del sistema por parte de procesos y usuarios.

Es una limitación contra el acceso indebido y al ser un problema del entorno interno del sistema informático puede ser manejado por el sistema operativo o el sistema manejador de base de datos.

Ejemplos: Implementación de lista de control de acceso ACL por recurso, detallando usuarios y sus permisos; por usuario, detallando recursos y sus permisos; ambas posibilidades.

SEGURIDAD: Es una medida de confianza de que la consistencia de la información será preservada y garantiza contra un acceso mal intencionado.

Al ser un problema de contexto informático o sea el entorno externo al mismo, debe ser controlado por fuera del sistema operativo o el sistema manejador de base de datos ya que ambos sólo pueden brindar una aplicación a las herramientas que se definan desde el exterior.

Ejemplos: Utilización de claves por usuario; cifrado de los datos.

INTEGRIDAD: Refiere a la prevención contra la pérdida accidental de la consistencia de los datos.

Incluye control de concurrencia y restricciones de integridad.

Control de concurrencia: Apunta a conservar la consistencia de la información contra anomalías en la secuencia de acceso a los mismos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 268

Ejemplos: Manejo de semáforos; monitores; alguna variante de la técnica de candados que evitan la paralización; misma técnica con la restricción de liberar los candados al finalizar la transacción, para eliminar los retrocesos en cascada en caso de deshacer una operación.

Restricciones de integridad: Garantizan que los accesos por usuarios autorizados no resulten en pérdida de la consistencia de la información, son limitantes que deben cumplir los datos contenidos en el sistema de archivos.

Están definidas en los esquemas al indicar las características propias de cada atributo o mediante controles procedurales programados. . Regla integridad 1: Declaración de una clave candidata para un conjunto de datos dado, garantiza la existencia de atributos primos. . Regla integridad 2: Cardinalidad de mapeo, expresa el número de entidades con la que puede asociarse a otra entidad mediante una relación.

Indica la forma de una relación, su ocurrencia. . Restricción dominio: Inclusión de predicado con limitantes de los valores posibles.

Tipo dominio: Cadena caracteres, fecha, coma fija, punto flotante, numérico entero, entero pequeño.

Valor nulo:

NULL / NOT NULL.

Rango:

Límite del dominio.

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. Integridad referencial: Garantiza que un valor aparecido en la relación matemática x, para un conjunto de atributos dado, también exista para un cierto conjunto de atributos en otra relación matemática y.

Si un atributo es clave primaria en y, puede ser clave exterior en x; por lo tanto para incluirlo en x debe existir en y.

Permite evitar la existencia de tuplas colgadas; controla la validez de los atributos de una relación que son arrastrados de las entidades que conforman la asociación. . Afirmación:

Inclusión de predicado expresando una condición que se debe satisfacer respecto a un conjunto de datos. Abarca: Condición especial.

Integridad referencial.

Dependencia funcional.

Restricción de dominio e inclusión de limitantes: clteSaldo >= 0 si clteTipo = “caja ahorro” artStock >= artStockMín si descarga unidades de artículo.

Valor coincidente con resultado de operación aplicada sobre otro dato: clteSaldo =  ctacteImporte La cláusula ASSERT debe ser aplicada con reservas ya que implica una demora del proceso dedicado al procedimiento de validar la condición.

Los dos primeros ejemplos de control son justificados, mientras que el segundo es redundante.

. Disparador:

Conjunto de sentencias que el sistema ejecuta de manera automática como efecto secundario de una actualización.

En la cláusula TRIGGER se indican condiciones y acciones.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 270

. Dependencia funcional: Si la existencia de un objeto x depende de la existencia del objeto y, significa que x es dependiente por existencia de y.

Al eliminar el dominante y, se debe eliminar el subordinado x.

Se produce dependencia entre relaciones matemáticas o entre los atributos de un mismo esquema.

Sus reglas son: Axiomas de Armstrong Reflexividad si B = A  B  A, A = conj. atributos; => A → B Aumento si A → B, C = conj. atributos; => C A → C B Transitividad si A → B, B → C; => A → C Unión si A → B, A → C; => A → B C Descomposición si A → B C; => A → B, A→C Pseudotransitividad si A → B, C B → D; => A C → D Recubrimiento canónico: RC minimiza la cantidad de dependencias funcionales df, tal que dichas df no contienen atributos raros o sea aquellos cuya eliminación no modifica el cierre del conjunto df inicial.

Dado un conjunto de df F, y la df [A → B], el atributo AA es raro para: A si:

AA  A, y F implica lógicamente al conj. df (F - [A → B])  [(A – AA) → B]

B si:

AA  B, y el conj. df (F - [A → B])  [(A → (B – AA)] implica lógicamente a F

Si

F = conj. de df => F+ = conj. df con implicancias lógicas de F, o sea F = F+  F  F+ F- = conj. simplificado = conj. df mínimo de F = RC de F

Ejemplo:

A → B C; B → C; A→ B; A B → C

=> A → B, B → C

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 271

15.03.Álgebra relacional Un lenguaje de consulta es un lenguaje mediante el cual el usuario solicita información de la base de datos.

Corresponde a lenguajes de cuarta generación, o sea de un nivel superior a los lenguajes de programación habituales.

Los lenguajes de consulta se clasifican en procedurales y no procedurales.

En los lenguajes procedurales, el usuario instruye al sistema para que lleve a cabo una serie de operaciones, o sea especifica las operaciones a realizar para obtener el resultado.

En los lenguajes no procedurales, el usuario describe la información deseada sin indicar un procedimiento concreto, o sea no necesita conocer las operaciones que se deben ejecutar para obtener un cierto resultado.

La mayor parte de los sistemas comerciales de bases de datos relacionales ofrecen un lenguaje de consulta que incluye elementos de ambos enfoques.

El álgebra relacional es un lenguaje de consulta procedural.

Consta de un conjunto de operaciones que toman como entrada una o dos relaciones matemáticas, y producen como resultado una nueva relación matemática.

Dado que el modelo relacional se representa mediante tablas, o sea relaciones matemáticas, son válidas todas las operaciones del álgebra relacional sobre dichas tablas.

El módulo de procesamiento de consultas de todo DBMS traduce internamente cualquier consulta solicitada mediante algún lenguaje de consulta comercial a operaciones del álgebra relacional, y optimiza la solicitud previo a compilarla, para luego llevar a cabo su ejecución.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 272

OPERACIONES FUNDAMENTALES f1.

Selección

:

 p (r)

/



= letra griega sigma minúscula

subíndice p

= predicado de selección

Elige tuplas, eliminando filas al resultado.

La tabla resultante contiene los mismos atributos que r; pero menos tuplas, sólo las que cumplen la condición.

f2.

Proyección

:

 l_a (r)

/



= letra griega pi mayúscula

subíndice l_a = lista de atributos Elige atributos, eliminando columnas al resultado.

La tabla resultante contiene tantas tuplas como r; pero menos atributos, sólo los indicados en la lista.

f3.

Producto cartesiano :

r1  r2 Combina información de dos tablas.

La tabla resultante contiene la suma de atributos de r1 más los de r2, en igual posición, o sea la concatenación de R1 y de R2; y tantas tuplas como la cantidad de tuplas de r1 por las de r2, combinando cada tupla de r1 con cada una de r2.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 273

f4.

Renombrar

:

 r2 (r1)

/



= letra griega ro minúscula

subíndice r2

= nombre opcional de r1

Permite nombrar r1 como r1 o r2.

f5.

Unión

:

r1  r2 Junta dos tablas compatibles. r1 y r2 tienen los mismos atributos en igual posición.

La tabla resultante contiene tantos atributos como r1 o r2; y tantas tuplas como la suma de ambas.

f6.

Diferencia

:

r1 - r2 Busca tuplas compatibles de r1 que no están en r2.

Tuplas de r1 que no contiene r2. r1 y r2 tienen los mismos atributos en igual posición.

La tabla resultante contiene tantos atributos como r1 o r2; y tantas tuplas como la diferencia.

OPERACIONES DERIVADAS a1.

Intersección

:

r1  r2

=

r1 - (r1 - r2)

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 274

a2.

Producto theta

:

r1  r2

= /

 l_a (  (r1  r2)) subíndice  = r1.a1 = r2.a1, ..., r1.an = r2. an subíndice l_a = R1  R2 R1  R2 subíndice 

a3.

a4.

Producto natural

División

:

:

r1  r2

r1 ÷ r2

= /

= /

= [a1, ..., an] = letra griega theta

 l_a (  (r1  r2)) subíndice  = r1.a1 = r2.a1, ..., r1.an = r2. an subíndice l_a = R1  R2 y elimina atributos duplicados R1  R2 = [a1, ..., an]

 l_a (r1) -  l_a (( l_a (r1)  r2) - r1) subíndice l_a = R1 - R2 R2 = R1  R2  R1 tr2 [R2] t [T] t T tr1 tr2

= tr1 [R2] = tr1 [T] = tuplas de r resultante = R1 - R2 = esquema de t = tuplas de r1 = tuplas de r2

Consulta que incluye la frase, para todos.

Clientes con cuenta en todas las sucursales de ciudad x: ( cCod, sCod (cta)) ÷ ( sCod ( sLoc = ”x” (suc)))

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 275

a5.

Asignación

:

nom r

/

nom de variable de r temporal, simplifica notación r = relación matemática o expresión del álgebra relacional

a6.

Funciones agregadas:

l_aa  l_fa (r) /



= letra f gótica

subíndice l_aa = lista atributos de agrupación subíndice l_fa = lista de funciones y sus atributos f1.atrib1, ..., fn.atribn fi

=

SUMA PROMEDIO MÁXIMO MÍNIMO CUENTA

R1

=

(l_aa, f1.atrib1, ..., fn.atribn)

Nombre de atributos de función: función.atributo Opcional, asignarle nombres a los atributos: R1(a1, a2, ..., an)  l_aa  l_fa (r) Permite agrupar tuplas de un mismo conjunto.

Estas funciones toman una colección de valores y devuelven como resultado un único valor.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 276

15.04.Lenguaje de consulta SQL Es el lenguaje de consulta más difundido. select la1, ..., lal from r1, ..., rm where cond = /

 l_a (  and p (r1  ...  rm)) subíndice  = r1.a1 = r2.a1, ..., r1.an = r2.an subíndice p = predicado de selección R1  ...  Rm = [a1, ..., an] la1, ..., lal = subíndice l_a = lista atributos cond =  and p

Opciones: select distinct

la1, ..., lal

Elimina tuplas duplicadas.

select all

la1, ..., lal

No elimina tuplas duplicadas.

select *

Incluye todos los atributos.

Operaciones sobre conjuntos incluye (select)

union

(select)

(select)

intersect

(select)

(select)

minus

(select)

union all

=

intersect all except all

(select)

except (select)

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 277

Operadores: and

or

not

Operaciones sobre cadenas: Permite funciones que operan sobre cadenas y los operadores: ac1

like

“%char%” or “%char” or “char%” or “char%char”

ac2

not like

“char#%char” escape “#” /

Notación:

(a1, ...., al)

/

Se cumple:

(a1, a2) <= (b1, b2)

Patrones: % Representa cualquier subcadena. _ Representa cualquier carácter. escape “char” Prefijo que indica tratar carácter especial como normal.

Designa una tupla de aridad l que contiene los atributos a1, ...., al.

Si:

a1 < b1  ((a1 = b1)  (a2 <= b2))

Cláusula as: select la1 as la2

from r1 as r2

Operación renombrar o asignación de álgebra relacional.

Variable de atributo definida en cláusula select.

Permite asignar nombre al resultado de expresión aritmética, modificar nombre, diferenciar dos atributos de igual nombre en dos relaciones declaradas en from.

Operación renombrar de álgebra relacional.

Variable de tupla definida en cláusula from.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 278

Ordenamiento: order by

ao1, ..., aoo Ordenamiento.

Después de cláusula where.

Funciones de agregación: group by having

ag1, ..., agg cond (Función_integrada) Agrupa tuplas.

Después de cláusula where.

Permite aplicar funciones agregadas o integradas: avg sum min max count

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 279

Anidamiento: select la11, ..., la1l from r11, ..., r1m where cond1 and la_c in

(select la21, ..., la2j from r21, ..., r2k where cond2) /

la_c

= la21, ..., la2j

Opción: in = any not in = # any < any > any <= any >= any > all contains not contains

=

some

Nota: in Opera como intersect = any

o /

la11, ..., la1l

= la_c

Opera como minus # any

o /

la11, ..., la1l

= la_c

not in

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 280

Relaciones vacías:

Comprueba si una subconsulta produce o no tuplas como resultado.

select from where exist

(select)

select from where not exist

(select)

Tuplas duplicadas:

Comprueba si una subconsulta produce o no tuplas duplicadas.

select from where unique

(select)

select from where not unique

(select)

Relaciones derivadas: Denomina la relación resultante de una subconsulta, y sus atributos, expresada en cláusula from: select la11, ..., la1l from

(select from group by as

la21, ..., [función_integrada], ..., la2j r21, ..., r2k ag21, ..., ag2g r1 (ad1, ..., add))

where cond1

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 281

Vistas: create view v as

(select)

create view v(a1, ...., av) Eliminación: delete r where cond

and

(ac1

delete r where cond

in

(select)

between

ac2

and

ac3)

Inserción: insert into r values

(string, var, nro)

insert into r (select) Actualización: update r set a1 = ecuación1, ..., au = ecuaciónu where cond

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 282

Reunión de relaciones: Condición: natural on using Indica las tuplas pertenecientes a r1 y r2 que se comparan, y los atributos que se incluyen en el resultado.

Tipo:

inner left outer right outer full outer cross union join Define el tratamiento de las tuplas de cada r1 que no encaja con ninguna tupla de la otra r2. from r1

inner join on

r2 r1.a = r2.a La resultante repite los atributos comunes.

from r1

natural inner join

r2 La resultante no repite los atributos comunes.

from r1

inner join using

r2 a1, ..., au La resultante no repite los atributos comunes.

Indicar explícitamente atributos de reunión.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 283

from r1

left outer join r2 on r1.a = r2.a La resultante incluye todas las tuplas de r1 que no encajan con ninguna tupla de r2.

Valoriza los atributos correspondientes a r2 como null.

from r1

right outer join r2 on r1.a = r2.a La resultante incluye todas las tuplas de r2 que no encajan con ninguna tupla de r1.

Valoriza los atributos correspondientes a r1 como null.

from r1

full outer join r2 on r1.a = r2.a La resultante incluye las tuplas de r1 y r2 que no encajan con ninguna tupla de r2 y r1 respectivamente.

Valoriza los atributos correspondientes a r2 y r1 como null.

from r1

cross join

r2 Corresponde a reunión interna sin condición de reunión.

from r1

union join

r2 Corresponde a reunión externa completa con condición de reunión interna vacía.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 284

15.05.Normalización de la base de datos La normalización de la base de datos tiene por objetivo generar un conjunto de esquemas que permitan almacenar información sin redundancias innecesarias así como posibilitar una manipulación fácil.

Un enfoque es diseñar esquemas que estén en una forma normal apropiada.

Las formas normales son restricciones que aplicadas al esquema garantizan una serie de ventajas en el manejo de actualizaciones evitando la redundancia.

Para determinar si un esquema está en una de las formas normales se aplica el concepto de dependencia funcional y otros conceptos vinculados a las características de los atributos.

Se analiza la aplicación de las formas normales a través de un ejemplo del mundo real, una orden de compra en un sistema de compras o suministros.

Una planilla confeccionada en papel es un modelo manual de dicha transacción comercial:

O.c. número: .......

O.c. fecha: .......

Proveedor código: ..............................

Proveedor nombre: ..............................

Proveedor dirección: ..............................

Artículo * Artículo * código * nombre * cantidad ................. .......................... .............. ................. .......................... .............. ................. .......................... .............. ................. .......................... ..............

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 285

La orden de compra se identifica en este modelo planilla a través de su número, o sea que su clave es: ocNro Dentro de las características de la orden de compra, hay atributos que toman valor único: ocFec provCod provNom provDir Otros atributos son multivaluados: artCod artNom cantidad Primera forma normal -

EN CADA ELEMENTO DE LAS TUPLAS, LOS VALORES DEBEN SER ATÓMICOS, NO PUEDE HABER GRUPOS REPETITIVOS.

Si este modelo manual se traslada al modelo relacional, queda definida una relación matemática universal: ru(RU) = (ocNro, ocFec, provCod, provNom, provDir, artCod, artNom, cantidad)

ocNro

ocFec

provCod

provNom

provDir

artCod

artNom

cantidad

Puede observarse que el modelo relacional está en primera forma normal por definición, ya que en un elemento de una tabla no es posible almacenar dos valores distintos simultáneamente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 286

Esto significa que el modelo relacional no acepta valores multivaludados.

Para lograr esta condición, hay que repetir los atributos únicos para cada artículo, y ampliar la clave a: ocNro artCod Segunda forma normal -

DEBE ESTAR EN PRIMERA FORMA NORMAL.

-

TODOS LOS ATRIBUTOS NO PRIMOS DEPENDEN DE LA TOTALIDAD DE LA CLAVE.

Para garantizar esta condición, el paso siguiente consiste en analizar las dependencias funcionales.

Tomando como base los atributos primos, o sea los que forman parte de la clave, se determina de quién dependen los no primos:

ocNro

artCod

ocFec provCod provNom provDir artNom cantidad

Hay atributos que dependen de una sola parte de la clave compuesta, son atributos no primos que dependen parcialmente de la clave.

Esto implica que el modelo relacional obtenido no está en segunda forma normal.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 287

Para pasar una relación matemática que está en 1FN a 2FN, hay que proyectar sin perder los datos originales, tomando cada elemento de la clave de la cual dependen, en relaciones matemáticas distintas.

Con esto se logra eliminar la redundancia.

El modelo relacional del ejemplo, en 2FN, consta de tres tablas: art(Art)

/

Art

=

(artCod, artNom)

oc(Oc)

/

Oc

=

(ocNro, ocFec, provCod, provNom, provDir)

ocArt(OcArt) /

OcArt =

(ocNro, artCod, cantidad)

Observar que el encabezado de la orden de compra se almacena en una tabla, o sea que si se modifican los datos, se efectúa una sola actualización.

Esto no sucede en el modelo anterior.

Por otro lado, la tabla que contiene los datos sobre los artículos, permite incorporar otras características específicas sobre dichos productos, aunque no figuran en la planilla.

Por ejemplo, existencia, precio, impuestos.

Al hacer el producto natural de estas tres tablas, se obtiene la tabla original.

De haber existido un atributo que no dependiera de nadie, éste no pasaría a formar parte de ninguna tabla, significando que estaba de más, o sea, no correspondía a la relación universal original.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 288

Tercera forma normal -

DEBE ESTAR EN SEGUNDA FORMA NORMAL.

-

LOS ATRIBUTOS NO PRIMOS NO PUEDEN DEPENDER DE OTROS ATRIBUTOS NO PRIMOS, O SEA, NO PUEDEN DEPENDER TRANSITIVAMENTE DE LA CLAVE. LA DEPENDENCIA DE LOS ATRIBUTOS NO PRIMOS CON RESPECTO A LA CLAVE DEBE SER DIRECTA.

Si se observa el modelo obtenido en el paso anterior, se puede ver que: provCod provCod

→ →

provNom provDir

Esto es, provNom y provDir tienen una dependencia transitiva con respecto a ocNro: ocNro

artCod

ocFec provCod provNom provDir artNom cantidad

Cuando una relación matemática presenta este tipo de anomalías, no está en 3FN. Si no se trabaja en 3FN, hay dificultades con las actualizaciones.

En el ejemplo, cada vez que se modifica el nombre o dirección del proveedor, se debe acceder a todos los encabezados de las órdenes de compra de dicho proveedor para mantener la consistencia de la información pues existe redundancia de datos.

Por ello, se debe hacer una proyección y separar o abrir la relación matemática.

Si ya está en 2FN, se proyecta siguiendo las dependencias, obteniendo un modelo en 3FN.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 289

El modelo relacional del ejemplo, en 3FN, consta de cuatro tablas: prov(Prov)

/

Prov

=

(provCod, provNom, provDir)

art(Art)

/

Art

=

(artCod, artNom)

oc(Oc)

/

Oc

=

(ocNro, ocFec, provCod)

OcArt =

(ocNro, artCod, cantidad)

ocArt(OcArt) / Conclusión

Se parte de una relación matemática universal, o de varias relaciones matemáticas de acuerdo a la transformación obtenida mediante el pasaje del modelo entidad relación al modelo relacional.

En ambos casos, el modelo se encuentra en 1FN. Para hacer más eficiente las aplicaciones, hay que llevar el modelo a 2FN y 3FN. Es posible seguir analizando el modelo. Existen 4FN, 5FN y forma normal de Boyce-Codd.

Pese a ello, cabe destacar que logrado el diseño en 3FN ya queda garantizado un buen rendimiento del sistema a implementar.

Es obvio que la aplicación se torna más compleja al tener varias tablas en lugar de una única tabla universal, pues de necesitar información de diversas tablas, se requiere utilizar más operaciones del álgebra relacional.

Como contrapartida, se elimina la redundancia.

Cuando se actualiza un elemento, este elemento se modifica una única vez en todo el sistema, garantizando transacciones consistentes y más eficientes.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 290

Excepciones Existen situaciones de excepción en que ciertas dependencias transitivas no conviene eliminarlas llevándolas a 3FN. Si la tabla de proveedores, proveedor(Proveedor), tiene el esquema siguiente: Proveedor

=

(provCod, provNom, provDir, provLoc, provDpto, provCodPost)

El código postal provCodPost depende de provDir, provLoc y provDpto.

El caso de código postal es un ejemplo paradigmático pues su dependencia es variable, de acuerdo a la geografía y densidad de población.

En las grandes ciudades, no sólo está determinado por el departamento y la localidad, sino que está sujeto a la calle y número correspondiente, o sea a la dirección.

Mientras que en otras zonas de baja densidad poblacional, el código postal depende sólo del departamento, o a lo sumo de la localidad y departamento.

Tener en cuenta que en ciertos países, el departamento se denomina provincia, pero la situación de dependencias variables se mantiene.

O sea, que este modelo está en 2FN pero no en 3FN. Pero abrir una tabla separando provCodPost no es útil porque es un dato estable, y una finalidad de la 3FN es optimizar las actualizaciones, situación que no se genera en este caso.

No se justifica llevar este modelo a 3FN con la consiguiente apertura del modelo en dos tablas.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 291

15.06.Modelo orientado a objetos El modelo relacional tiene ciertas restricciones no compatibles con las nuevas áreas de aplicación de los sistemas de base de datos, como por ejemplo CAD o diseño asistido por computadora, herramientas CASE o ingeniería de software asistida por computadora, multimedia, manejo de hipertexto, sistemas SIO o de información para oficinas.

El modelo orientado a objetos se basa en el paradigma de la programación orientada a objetos incorporando los conceptos de encapsulado de los datos y código relacionados con cada objeto en una sola unidad.

Los objetos se corresponden con las entidades del modelo entidad relación, aunque en el modelo orientado a objetos, tanto las entidades como las relaciones se representan como objetos.

Conceptualmente, las interacciones entre cada objeto y el resto del sistema se realizan mediante mensajes.

La interfaz entre cada objeto y el exterior se define mediante un conjunto de mensajes permitidos.

Genéricamente, cada objeto está asociado con los siguientes elementos: Un conjunto de variables:

Contiene los datos del objeto.

Las variables se corresponden con los atributos del modelo MER.

Un conjunto de mensajes:

Hace referencia al intercambio de solicitudes entre los objetos con independencia de los detalles concretos de su implementación.

Los mensajes a los cuales responde el objeto pueden o no incluir parámetros.

Un conjunto de métodos:

El método es el código que implementa un mensaje, devolviendo un valor en respuesta al mensaje.

Invocar un método significa enviar un mensaje a un objeto y ejecutar el método correspondiente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 292

Este enfoque responde al hecho que un mismo objeto puede tener diferentes procedimientos de acuerdo a ciertas características del elemento. Así, se puede encapsular el código de cada procedimiento con cada objeto del conjunto en forma de método.

Todos los objetos del conjunto responden al mismo mensaje, pero lo hacen de manera diferente de acuerdo a su método. Al encapsular con el objeto la información sobre el procedimiento asociado, todos los objetos del conjunto presentan la misma interfaz. Dada que la única interfaz externa presentada por cada objeto es el conjunto de mensajes a los que responde, es posible modificar las definiciones de los métodos y variables sin afectar al resto del sistema.

Los métodos de cada objeto se clasifican en sólo lectura y actualización, siendo estos últimos los que pueden modificar el valor de las variables de los objetos.

De acuerdo al método que los implemente, los mensajes se distinguen de la misma manera.

En este modelo, cada atributo de las entidades definidas mediante el modelo entidad relación, se debe expresar como una variable y un par de mensajes del objeto correspondiente.

La variable se utiliza para almacenar el valor del atributo, uno de los mensajes permite leer el valor del atributo, y el otro se emplea para su actualización.

En la práctica, muchos DBMS orientados a objetos permiten que las operaciones de lectura y grabación de las variables se realicen de manera directa sin necesidad de definir mensajes para dichas acciones.

Siendo que en un conjunto de datos existen muchos objetos similares que responden a los mismos mensajes, se los agrupa en clases.

Cada uno de los objetos de una clase se denomina ejemplar o instancia de su clase.

Todos los objetos de una clase comparten una definición común, pero se diferencian por los valores asignados a sus variables.

El concepto de clase es parecido al de tipos abstractos de datos aunque con aspectos adicionales.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 293

Para representar estas propiedades, cada clase se trata como un objeto, incluyendo en el objeto clase los siguientes elementos: Una variable de tipo conjunto cuyo valor es el conjunto de todos los objetos que son instancias de la clase.

La implementación de un método para el mensaje nuevo que genera un nuevo ejemplar de la clase.

Por ejemplo, una definición escrita en pseudocódigo de la clase persona se muestra a continuación: Clase persona /* Variables */ perNom, alfanumérico perDir, alfanumérico perEdad, numérico entero /* Mensajes */ consultarNom(), alfanumérico consultarDir(), alfanumérico añoNacim(), numérico entero actualDir(nuevaDir, alfanumérico), numérico entero Observar que perNom, perDir y perEdad corresponden a variables, y el resto son mensajes a los cuales responde el objeto persona. En cada mensaje se indica el tipo de la respuesta al mismo.

Frecuentemente varias clases tienen características comunes o son parecidas.

Para permitir la representación directa de estas similitudes, se las ubica en una jerarquía de especializaciones.

El concepto de jerarquía de clases se corresponde al de especialización en el modelo MER. La palabra reservada ISA, es una, se utiliza para indicar que una clase es una especialización de otra.

Se denomina subclase a la especialización de una clase.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 294

Herencia es la propiedad de que los objetos de una clase contengan las variables definidas en sus superclases. Los métodos se heredan de modo idéntico a las variables.

La herencia da la posibilidad de sustitución que permite la reutilización de código.

La estructura jerárquica pura es muy rígida ya que un elemento de un nivel dado no puede estar asociado a más que uno del nivel superior.

Esta restricción se resuelve en el modelo orientado a objetos mediante el concepto de herencia múltiple que es la posibilidad que tienen las clases de heredar variables y métodos de varias superclases. La relación entre clases y subclases se representa mediante una estructura de grafo acíclico dirigido o GAD. La identidad de los objetos en este modelo es un concepto más potente que los tradicionales pues la programación orientada a objetos permite otras distinciones: Id. Valor:

El valor de dato puede ser utilizado como identidad.

Corresponde al valor de la clave primaria en el modelo relacional.

Id. Nombre: Un nombre proporcionado por el usuario permite su identificación.

Id. Incorporada: Cada objeto recibe automáticamente del sistema un identificador al momento en que se crea, basado en el concepto de que el sistema necesita un mecanismo físico que identifique el objeto de manera unívoca.

Los identificadores generados por el sistema suelen ser específicos del mismo, y si se transfiere el conjunto de datos a un sistema de base de datos distinta, se deben convertir.

Este tipo de identificación facilita el control de integridad referencial ya que por tratarse de una dirección, se puede implantar mediante el uso de punteros.

Por último, las referencias entre objetos puede ser usada para modelar diferentes conceptos del mundo real, por ejemplo, describir la composición de un objeto detallando los diversos elementos que lo conforman.

Los objetos que contienen otros objetos se denominan objetos complejos o compuestos.

El concepto de continente de objetos permite que los diferentes usuarios del sistema examinen a los datos con diferente nivel de detalle.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 295

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 15 ----------------- 296

16.ALGORITMOS Y ESTRUCTURAS DE DATOS 16.01.Conceptos generales Un sistema es suma de componentes:

Secuenciales: Líneas de montaje Flujo de documentos Computadora personal Simétricos: Procesadores paralelos

Componentes de un programa:

Datos o estructuras de datos Instrucciones o algoritmos

Un concepto importante es que no basta con escribir programas que funcionen.

Si el procedimiento utiliza grandes volúmenes de datos, el tiempo de ejecución se vuelve un inconveniente.

Se debe tener especial cuidado con los grandes números.

Por ello se estudian técnicas para mejorar la velocidad de un proceso y detectar los cuellos de botella, optimizando en forma considerable las aplicaciones.

Factores a analizar en un sistema informático para el rendimiento de un programa: Compilador y vinculador: Nivel de optimización de programa objeto y ejecutable.

Procesador: Tecnología.

Algoritmo: Eficiencia medida en tiempo de ejecución.

Datos: Volumen.

Cuello de botella:

Su concepto puede ejemplificarse en un sistema informático al analizar los tiempos de entrada/salida de los periféricos frente al tiempo de UCP. La situación debe ser evitada o en su defecto controlada, mediante algoritmos idóneos.

El juego de sopa de letras es un ejemplo de diversidad en la resolución de un problema, cada una de las cuales aplica un algoritmo distinto, y por consiguiente, magnitudes diferentes en los tiempos de respuesta.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 297

Otro ejemplo de algoritmos diversos aplicables a un mismo enunciado se observa con el problema de selección, utilizado para el cálculo de ranking: Determinar, entre n números, cuál es el késimo mayor.

Solución 1:

Leer los n números, ordenarlos y tomar el de la posición k.

Solución 2:

Leer los n números k veces, quedarse en cada caso con el mayor, descartar el mayor de la pasada anterior. El mayor de la pasada k es el elemento buscado.

Solución 3:

Leer los primeros k números e irlos ordenando en forma decreciente. Para los (n – k) elementos restantes, se van leyendo 1 a 1, si es menor que el késimo, se descarta, si es mayor se inserta en el arreglo, eliminando al elemento (késimo + 1) resultante de la ordenación. Al procesar los n elementos, el de la posición k es el buscado.

16.02.Algoritmo ALGORITMO: Conjunto de instrucciones sencillas que se deben seguir para resolver un problema.

Su etimología, al igual que las palabras guarismo y logaritmo, deriva de Mohamed al-Jwarizmí (780?–850).

Nacido en Jwarizm, vivió cerca del Mar de Aral, hoy Irak. Fue uno de los más antiguos matemáticos de la civilización musulmana y a través de su obra sobre ecuaciones, al-chabr, transmitió los primeros métodos de álgebra, aunque no conoció los conceptos de logaritmo y algoritmo.

Características de algoritmo: Finito Definido Entrada Salida

Efectivo

Debe concluir.

Apto para ser ejecutado por un autómata.

0, ..., n.

1, ..., n.

Al menos tiene una salida.

La salida guarda relación con la entrada.

Dicha relación es el problema resuelto: entradas correctas <==> salidas correctas Resuelve el problema.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 298

16.03.Algoritmo recursivo Se dice que una función es recursiva cuando se define en términos de sí misma.

Una función recursiva siempre debe tener un caso base al cual debe tender la función.

De no ser así, se produce circularidad.

Es un algoritmo idóneo cuando el problema, función o estructura de datos están definidas recursivamente.

La cantidad de llamadas deben ser finitas y pocas, por lo que debe ser congruente con uno de los siguientes esquemas: F_recursiva



Si n > 0 F_recursiva [Caso_base, F_recursiva(n - 1)] Fin

F_recursiva



F_recursiva [Caso_base, Si n > 0 F_recursiva(n - 1)] Fin

Ejemplos: Cálculo de la sucesión de número naturales Cálculo de la función módulo sin aplicar la operación división Búsqueda de palabras en un diccionario ya que cada vocablo se define en términos de otro Cálculo de factorial de un número

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 299

Ejercicio:

Cálculo de la sucesión de números naturales.

Definición del conjunto de números naturales N a partir del conjunto de números reales R: Un subconjunto S de R se dice inductivo si satisface: 1) 1  S; 2) a  S => (a + 1)  S n  R se dice Natural sii para todo subconjunto inductivo S de R, se verifica que n  S Por ello, los números naturales pueden obtenerse de sumar 1, elemento neutro de la operación producto de números reales, al elemento anterior, siendo 1 el primer elemento de la sucesión. O sea, la generación de números naturales es un proceso inductivo, con el elemento 1 como generador, consiguiendo el elemento siguiente en base al anterior.

Proc_pseudocódigo N(n) Comienzo Si n<1 Dev Error Sino Si n = 1 Dev n Sino nAnt = N(n – 1) Dev (nAnt + 1) FinSi FinSi Fin Diagrama de llamadas para N(3): N(3): N(2): N(1): 1 nAnt = 1 2 nAnt = 2 3

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 300

Reglas de la recursión: Caso base: Siempre debe haber uno o más casos base que se resuelven sin recursividad.

Progreso: En casos resueltos recursivamente, la llamada recursiva debe tender a un caso base.

Diseño: Se supone que todas las llamadas recursivas funcionan.

Interés compuesto: El trabajo no se debe duplicar resolviendo el mismo ejemplar de un problema en llamadas recursivas separadas.

Dos esquemas donde no es eficiente utilizar recursión: F_no_recursiva F_no_recursiva

 

Si condición Caso_base; F_no_recursiva Fin Caso_base; Si condición F_no_recursiva Fin

No es aplicable cuando puede ser sustituido por un simple ciclo Si. Algoritmo divide y vencerás Es un algoritmo recursivo con las siguientes características: -

Se divide el problema en subproblemas de complejidad similar e inferior al original hasta reducirlo a un caso trivial. Los problemas más pequeños se resuelven recursivamente.

-

La solución al problema original se obtiene mediante la combinación de la solución encontrada a los subproblemas, o sea se forma a partir de las soluciones de los subproblemas.

Ejemplos:

Cálculo de potencias Cálculo de la subsecuencia máxima Ordenación Búsqueda binaria o bipartición en una secuencia ordenada Hallar el valor máximo y mínimo de un vector Problema de las Torres de Hanoi Problema de las islas

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 301

Algoritmo con retroceso o backtracking Es un algoritmo recursivo con las siguientes características: -

Se busca la resolución a un problema por ensayo y error, descomponiendo el problema en un conjunto de tareas parciales.

-

En cada prueba se toma una buena solución parcial, sin poder asegurar que lleve a un buen resultado general o global.

A pesar de que este algoritmo se desarrolla por medio de la selección de un conjunto de posibilidades, no ensaya directamente todas las opciones pues al inicio se descartan algunas por obvias o indeseables.

Esta operatoria previa de eliminación de un grupo de alternativas en un paso se denomina poda.

Ejemplos:

Reconstrucción del camino de cuota Permite reconstruir la ubicación de los puntos al conocer las distancias entre ellos.

Es aplicable a problemas de física y biología molecular.

Su nombre deriva de la analogía con los puntos de salidas de cuota en las autopistas costeras del este de Estados Unidos.

Problema de acomodar el mobiliario en una casa nueva Cálculo del recorrido del caballo en el tablero de ajedrez Teoría de juegos

Aplicaciones A continuación se desarrollan algunas aplicaciones eficientes y deficientes de algoritmo recursivo.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 302

APLICACIONES DE ALGORITMO RECURSIVO EFICIENTES -

Exponenciación Directo:

x0 = 1 xn = x * x * x * x * x * .... * x (n factores)

Proc_pseudocódigo Exp_no_rec(x, n) Comienzo Si n = 0 expNoRec = 1 Sino expNoRec = x Para i = 2 Hasta n EnCiclos (+ 1) expNoRec = expNoRec * x FinPara FinSi Fin Recursivo:

x0 = 1 x1 = x n i j x = (x ) <==> n = i * j

Proc_pseudocódigo Exp_rec(x, n) Comienzo Si n=0 Dev 1 Sino Si n = 1 Dev x Sino Si Par(n) eAnt = Exp_rec(x * x, n / 2) Dev eAnt Sino eAnt = Exp_rec(x * x, n / 2) Dev eAnt * x FinSi FinSi FinSi Fin PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 303

-

Visualización de los dígitos de un número entero positivo, mostrando un dígito por vez Proc_pseudocódigo Visual(n) Comienzo Si n < 0 Dev Error Sino Si n < 10 Muestra_dígito(n) Sino Dev Visual(n / 10) Dev Visual(n Mod 10) FinSi FinSi Fin Nota la instrucción que invoca a la función Mod puede ser reemplazada por: Dev Visual(n – (n / 10) * 10)

-

Búsqueda binaria o bipartición en una secuencia ordenada de mayor a menor Proc_pseudcódigo

90

81

72

63

54

45

36

27

1

2

3

4

5

6

7

8

Bus_bi(v[n], izq, der, x) Comienzo Si izq > der Dev -1 Sino med = (izq + der) / 2 Si v[med] = x Dev med Sino Si v[med] >x 7 bAnt = Bus_bi(v, (med + 1), der, x) 9 Dev bAnt Sino bAnt = Bus_bi(v, izq, (med – 1), x) Dev bAnt FinSi FinSi FinSi Fin

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 304

-

Problema de las Torres de Hanoi También llamado Torre de Brahma o Puzzle del Fin del Mundo fue inventado por el francés Edouard Lucas en 1883.

Se inspiró en una leyenda que cuenta: En un templo Hindú existió un puzzle en forma de pirámide, utilizado para el desarrollo de la disciplina mental en los jóvenes aspirantes. La leyenda afirma que en el principio de los tiempos se les otorgaron 64 discos de oro, de tamaño decreciente. El objetivo fue mover los discos de una clavija origen a una destino utilizando una como auxiliar. Deberían respetar siempre la regla. Un disco grande nunca debería ser puesto sobre otro más pequeño.

Al terminar nuestro mundo se desvanecería.

d1 c  a d2 b  a d1 b  c d3 c  a

¦ ¦ ¦ ¦

d1 a  b d2 c  b d1 c  a a

H(n, a, c, b) Comienzo Si (n > 0)

b

c

H(nDiscos, origen, destino, auxiliar) H((n – 1), a, b, c) Mueve(n, a, c) H((n – 1), b, c, a)

origen  origen;

destino  auxiliar;

auxiliar  destino

origen  auxiliar;

destino  destino;

auxiliar  origen

FinSi Fin Diagrama de llamadas:

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 305

H(3, a, c, b): H(2, a, b, c): H(1, a, c, b): H(0, ...): Mueve d1 c  a H(0, ...): Mueve d2 b  a H(1, c, b, a): H(0, ...): Mueve d1 b  c H(0, ...)

Mueve d3 c  a H(2, b, c, a): H(1, b, a, c): H(0, ...): Mueve d1 a  b H(0, ...): Mueve d2 c  b H(1, a, c, b): H(0, ...): Mueve d1 c  a H(0, ...)

Tiempo de ejecución: H(1) = 1 H(n) = 2 H(n - 1) + 1 = 2 [2 H(n - 2) + 1] + 1 = 2 [2 {2 H(n - 3) + 1}] + 2 [1] + 1 = 2 * 2 * 2 * H(n - 3) + 4 + 2 + 1 H(n) = 2i H(n - i) + (2i - 1) H(n) = 2n - 1

pero = = = pero

no cumple condición Si pues n = 0 no cumple condición Si pues n = 0

no cumple condición Si pues n = 0 no cumple condición Si pues n = 0

no cumple condición Si pues n = 0 no cumple condición Si pues n = 0

no cumple condición Si pues n = 0 no cumple condición Si pues n = 0

H(n - 1) = 2 H(n - 2) + 1 2 [2 H(n - 2)] + 2 [1] + 1 2 * 2 * 2 * H(n - 3) + 2 * 2 {1} + 2 [1] + 1 23 * H(n - 3) + (23 – 1) => n - i = 1 => i = n - 1

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 306

-

Reconstrucción del camino de cuota Reconstruir la ubicación de los puntos al conocer las distancias entre ellos.

Sean el conjunto de distancias correspondientes a la ruta 1 de Uruguay, entre las ciudades de Colonia del Sacramento y Rincón del Pino, pasando por Artilleros, Rosario, Colonia Valdense y Ecilda Paullier: D = {010, 020, 020, 020, 030, 030, 030, 040, 050, 050, 050, 060, 070, 080, 100} | D | = 15 = n (n - 1) / 2

=>

n = 6 ciudades o puntos en la recta x1, x2, ..., x6

Hallar la ubicación de dichas ciudades en base a conocer sus distancias.

Se aplica algoritmo con retroceso.

Para cada distancia, la selección de posibilidades se realiza en el mismo orden en que se van determinando los puntos, o sea, primero respecto a x1, sino a x6, luego a x5, y así sucesivamente.

Se inicia el algoritmo poniendo

x1 = 000 correspondiente a Colonia del Sacramento x6 = 100 correspondiente a Rincón del Pino, la distancia mayor Se marca 100 de D. Estas acciones corresponden a la etapa de poda.

La distancia mayor restante es 080, lo cual significa que x2 = 020 o x5 = 080.

Por simetría, ambas elecciones son correctas, optando por la última.

Se marca 080 y 010 de D. Los ciclos se repiten hasta terminar, siguiendo el orden de selección establecida.

De producirse una incongruencia, el algoritmo retrocede y elige la opción siguiente dentro del conjunto de posibilidades.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 307

Resumen de cada ciclo c:

c x

Distancia

010 020 020 020 030 030 030 040 050 050 050 060 070 080 100 Resultado paso

1 x6 2 x5 3 x4 4 x3

(x6 – x1)=100 (x5 – x1)=080 (x4 – x1)=070 * (x3 – x1)=060

*

x5 *

x4

(x6 – x3)=060 (x5 – x3)=060 (x4 – x3)=060 3 x2 (x6 – x2)=070 x2 4 x4 (x4 – x1)=060 5 x3 (x3 – x1)=050 *

*

* *

*

*

* *

x4 x3 *

x6 Determina x6 Determina x5 Determina x4 No posible Opción siguiente: No posible Opción siguiente: No posible Opción siguiente: No posible Retrocede: Libera 010 Determina x2 Determina x4 Determina x3

Si los retrocesos son frecuentes, el rendimiento del algoritmo resulta afectado.

Pero, aunque no se conoce ninguna cota polinómica, no hay ejemplos patológicos que muestren que esto suceda más de una vez.

Los experimentos demuestran que si los puntos tienen coordenadas distribuidas de manera uniforme y aleatoria, a lo sumo se produce un retroceso durante el algoritmo completo.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 308

-

Cálculo del recorrido del caballo en el tablero de ajedrez

Se tiene un tablero de n x n = n2 campos, n = 8. Se coloca un caballo en una posición inicial x0, y0.

El problema radica en encontrar una cobertura de todo el tablero tal que cada posición se visite una sola vez. El tablero se representa como una matriz de n x n.

Es necesario definir dos vectores de 8 posiciones para representar los posibles movimientos: vi[1]=-1 vi[2]=1 vi[3]=-2 vi[4]=2 vi[5]=-2 vi[6]=2 vi[7]=-1 vi[8]=1 -2 –1 i 1 2 vj[1]=-2 vj[2]=-2 vj[3]=-1 vj[4]=-1 vj[5]=1 vj[6]=1 vj[7]=2 vj[8]=2 -2 -1 j 1 2

Proc_pseudocódigo Búsqueda_mov_nuevo Comienzo Inicializa_selección_jugadas Repetición Selecciona_opción_siguiente Si posible Registra_mov Si no_tablero_lleno Búsqueda_mov_nuevo Si no_posible Retrocede_mov_último FinSi FinSi FinSi Hasta mov_exitoso O no_más_mov_posible Fin PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 309

APLICACIONES DE ALGORITMO RECURSIVO DEFICIENTE Cuando la recursión se aplica adecuadamente, es difícil convertirla en una estructura iterativa sencilla.

-

Cálculo de factorial de un número Recursivo: Proc_psudocódigo

Fac_rec(n) Comienzo Si n = 0 o n = 1 Dev 1 Sino fAnt = Fac_rec(n – 1) Dev (n * fAnt) FinSi Fin

Directo: Proc_pseudocódigo Fac_no_rec(n) Comienzo facNoRec = 1 Si n>1 Para i = n Hasta 2 EnCiclos (- 1) facNoRec = facNoRec * i FinPara FinSi Fin

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 310

-

Cálculo sucesión de Fibonacci F0 = 1, F1 = 1, F2 = 2, F3 = 3, F4 = 5,..., Fi = F(i – 1) + F(i – 2)

para n >= 0

Esta sucesión fue planteada en el siglo XIII por Leonardo de Pisa, conocido como Fibonacci, quien escribió libros de matemática, álgebra y geometría. La secuencia tiene muchas propiedades curiosas aplicables a la teoría de juegos como por ejemplo, en la rayuela permite calcular la cantidad de caminos posibles para alcanzar el adoquín objetivo.

Recursivo: Proc_pseudocódigo Fib_rec(n) Comienzo Si n = 0 o n = 1 Dev 1 Sino fAnt1 = Fib_rec(n – 1) fAnt2 = Fib_rec(n – 2) Dev (fAnt1 + fAnt2) FinSi Fin Directo: Proc_pseudocódigo Fib_no_rec(n) Comienzo x=1 y=0 Para i = 1 Hasta (n – 1) z=x x=x+y y=z FinPara Fin PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 311

16.04.Análisis de algoritmo El análisis requerido para estimar el uso de recursos de un algoritmo es una cuestión teórica, y necesita un marco formal.

El objetivo de las siguientes definiciones es establecer un orden relativo entre funciones.

T(n) = O(f(n)) = O_grande(f(n))

si tasa de crecimiento de T(n) es <= que la de f(n). f(n) es cota superior de T(n), y viceversa.

T(n) = (g(n)) = Omega(g(n))

si tasa de crecimiento de T(n) es >= que la de g(n). g(n) es cota inferior de T(n), y viceversa.

T(n) = (h(n)) = Theta(h(n))

si tasa de crecimiento de T(n) es = a la de h(n), o sea T(n) = O(h(n)) y T(n) = (h(n)).

T(n) = o(p(n)) = o_pequeña(p(n))

si tasa de crecimiento de T(n) es < que la de p(n), o sea T(n) = O(p(n)) y T(n) # (p(n)).

TASA DE CRECIMIENTO RELATIVA Es la velocidad de crecimiento de una función cuando la variable tiende a infinito.

Es una medida importante al aplicarla al análisis de algoritmos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 312

Análisis de cálculo de tiempo de ejecución mediante ejemplos: n

i

3

i =1

Proc_pseudocódigo Suma_cubos(n) Comienzo sumCubos = 0 Para i = 1 Hasta n EnCiclos (+ 1) sumCubos = sumCubos + i * i * i FinPara Fin

i1 i2 i3

Tiempo: i1 =

1

unidad

i3 =

4*n

unidades

asignación:

i2 =

2*n+2

total = 6 * n + 3

1 unidad

suma: 1 unidad multiplicación: 1 unidad asignación: 1 unidad total repetición ciclos = 4 unidades unidades inicialización: 1 unidad control de fin: 1 unidad incremento de i: 1 unidad unidades de tiempo →

→ (1) vez → (1) vez → (2) vez → (1) vez → (n) vez → (1) vez → (n + 1) vez → (n) vez

O(n)

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 313

Reglas: .Todas las operaciones simples demoran 1 unidad.

No incluir constantes o términos de orden menor en el cálculo de una O_grande. .El tiempo de ejecución de un ciclo es, como máximo, el de las instrucciones que están en su interior, multiplicado por el número de iteraciones. .Los ciclos anidados se deben analizar desde adentro hacia fuera.

El tiempo total de ejecución será el de la proposición dentro del nido multiplicado por el producto de los tamaños de todos los ciclos. .Los tiempos de ejecución de proposiciones consecutivas se suman, por lo que sólo cuenta el máximo de ellos. .El tiempo de ejecución de una condición Si/Sino (If...Then/Else) nunca es mayor que el de la condición correspondiente al mayor de los tiempos de todas las opciones. .Analizar desde el interior hacia fuera, o sea, resolver primero llamadas a funciones, subrutinas, recursividades, y otros.

Función: c = log(n) = log 2(n) = n = n log(n) n2 = n3 = 2n =

constante logarítmica logarítmica cuadrada lineal cuadrática cúbica exponencial

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 314

EJEMPLOS DE CÁLCULO DE TIEMPO DE EJECUCIÓN DE UN ALGORITMO -

Sucesión de Fibonacci T(0) = 1 T(n) = T(n - 1) + T(n - 2) + 2 =>

-

T(n) < (5 / 3)n y T(n) >= (3 / 2)n

Cálculo de la suma de la subsecuencia máxima Dados enteros, que pueden ser negativos, a1, a2, a3,..., an encontrar el valor máximo de

j

a k =i

k

Este algoritmo es aplicable para determinar los meses de temporada en una zona turística.

Dada la secuencia mensual de saldos comerciales, calcula el rango de meses correspondientes a la temporada alta, o sea, cuándo conviene o justifica abrir y cerrar el período.

Por conveniencia, la suma de la subsecuencia máxima es 0 si todos los enteros son negativos.

Para la serie -2, 11, -4, 13, -5, -2, la respuesta es 20, rango: de a2 hasta a4.

Existen muchos algoritmos para resolverlo.

Se presentan 4 de ellos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 315

Alg. 1: Resolver mediante 3 ciclos Para anidados.

Tiempo O(n3), más precisamente (n3) pues tiempo = n3 + n 2 + ..., o sea polinomial.

1

Proc_pseudocódigo Sum_ss_max1(a[ ], n) Comienzo sumMax = 0 mejorI = 0 mejorJ = 0 Para i = 1 Hasta n EnCiclos (+ 1) Para j = i Hasta n EnCiclos (+ 1) sumK = 0 Para k = i Hasta j EnCiclos (+ 1) sumK = sumK + a[k] FinPara Si sumK > sumMax sumMax = sumK mejorI = i mejorJ = j FinSi FinPara FinPara Fin 3 4 ... n

2

i

i = 1/n

j k

j = i/n k = i/j

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 316

Alg. 2: Resolver mediante 2 ciclos Para anidados.

Simplificación del anterior, elimina un ciclo.

Tiempo O(n2).

Proc_pseudocódigo Sum_ss_max2(a[ ], n) Comienzo sumMax = 0 mejorI = 0 mejorJ = 0 Para i = 1 Hasta n EnCiclos (+ 1) sumJ = 0 Para j = i Hasta n EnCiclos (+ 1) sumJ = sumJ + a[j] Si sumJ > sumMax sumMax = sumJ mejorI = i mejorJ = j FinSi FinPara FinPara Fin Alg. 3: Divide y Vencerás.

Partir el problema original en 2 subproblemas que se resuelven recursivamente.

Unir las soluciones de los subproblemas para hallar la solución global, analizando los casos de borde, o sea la suma máxima que alcanza el centro.

Tiempo O(n log(n)).

Proc_pseudocódigo Sum_ss_max3(a[ ], izq, der) Comienzo PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 317

/análisis caso base: 2 opciones Si

izq = der

Si a[izq] > 0 Dev a[izq] Sino Dev 0 FinSi /análisis recursión: 2 recursiones a mitad izquierda y mitad derecha Sino med = (izq + der) / 2 sumMaxI = Sum_s_max3(a[ ], izq, med) sumMaxD = Sum_s_max3(a[ ], (med + 1), der) /análisis borde izquierdo y derecho: 2 ciclos Para sumMaxBorI = 0 sumBorI = 0 Para j = med Hasta izq EnCiclos (- 1) sumBorI = sumBorI + a[j] Si sumBorI > sumMaxBorI sumMaxBorI = sumBorI FinSi FinPara sumMaxBorD = 0 sumBorD = 0 Para j = (med + 1) Hasta der EnCiclos (+ 1) sumBorD = sumBorD + a[j] Si sumBorD > sumMaxBorD sumMaxBorD = sumBorD FinSi FinPara /análisis mejor suma: invoca a CalculaMax que determina el máximo de 3 elementos sumMax = CalculaMax(sumMaxI, sumMaxD, (sumMaxBorI + sumMaxBorD)) Dev sumMax FinSi Fin

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 318

Alg. 4: Recorrido secuencial de la entrada.

Requiere de una única lectura.

Si el acumulado parcial es < 0, inicia la subsecuencia nuevamente, descartando lo anterior.

Tiempo O(n).

Se dice que es un algoritmo en línea, pues arroja resultados parciales válidos con los datos procesados hasta determinado momento.

Proc_pseudocódigo Sum_ss_max4(a[ ], n) Comienzo i=1 sumMax = 0 sumJ = 0 mejorI = 0 mejorJ = 0 Para j = 1 Hasta n EnCiclos (+ 1) sumJ = sumJ + a[j] Si sumJ > sumMax sumMax = sumJ mejorI = i mejorJ = j Sino Si sumJ < 0 i=j+1 sumJ = 0 FinSi FinSi FinPara Fin

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 319

-

Búsqueda binaria Dado un entero x, y enteros a1, a2, ..., an, los cuales están ordenados y en memoria, encontrar i tal que ai = x, o devolver i = 0 si x no está en la serie.

La solución obvia consiste en recorrer toda la serie hasta dar con el término buscado o agotar la entrada.

Se ejecuta en tiempo lineal.

Pero este algoritmo no aprovecha el hecho de que la serie está ordenada.

Como se sabe que está ordenada, la estrategia consiste en buscar el valor del medio.

Si es ese, entonces el tiempo de ejecución es O(1).

Caso contrario, se busca en la mitad derecha o izquierda según x sea menor o mayor que el término central.

Así se repite el procedimiento hasta encontrar el número o asegurar que no está.

Ya está desarrollada la codificación de este algoritmo.

Este algoritmo es O(log(n)).

-

Factorial Si la recursión es un ciclo Para disfrazado, el análisis suele ser trivial.

Ya está desarrollada la codificación de este algoritmo.

Tiempo O(n).

-

Ordenación de un vector por el procedimiento de burbuja Se resuelve mediante dos ciclos Para anidados en cuyo interior se compara contenidos.

Si la condición Si se cumple, se realiza intercambio de elementos utilizando una variable auxiliar.

Tiempo O(n2).

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 320

-

Ciclos anidados Nota:

n

k i  i =1

→ aprox n(k + 1) / (|k + 1|)

/ k <> -1

n

i  i =1 -

= n (n + 1) / 2

sum = 0 Para i = 1 Hasta n Para j = 1 Hasta n sum = sum + 1 Tiempo O(n2).

-

sum = 0 Para i = 1 Hasta n Para j = 1 Hasta n2 sum = sum + 1 Tiempo O(n3).

-

sum = 0 Para i = 1 Hasta n Para j = 1 Hasta i sum = sum + 1 Tiempo O(n²).

Ej.:

-

si i cant.ciclos j total ciclos

= = =

1234567 1 2 3 4 5 6 7 = 28 = 7 * 8 / 2 n * (n + 1) / 2 → aprox n²

sum = 0 Para i = 1 Hasta n Para j = 1 Hasta i2 Para k = 1 Hasta j sum = sum + 1 Tiempo O(n5).

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 321

n

1 +

2

 j i =1

i

n

= 1 +



((i2) (i2 + 1) / 2)

i =1

j =1

n

→ Ej.: i = 1, .., n 1 2 2 2 2 3 3 4 4 5 5

-

aprox

4 i  i =1

→ aprox n5 / 5 → aprox n5

j = 1, .., n2 k = 1, .., j 1 1 1 1 2 2 3 3 4 4 ... ...

9 9 ... ...

16 16 ... ...

25 25

cantidad de ciclos k: sumatoria de 1 a 1 +

sumatoria de 1 a 4 + sumatoria de 1 a 9 + sumatoria de 1 a 16 + sumatoria de 1 a 25 = n sumatorias de 1 a i²

sum = 0 Para i = 1 Hasta n Para j = 1 Hasta i2 Si j MOD i = 0 Para k = 1 Hasta j sum = sum + 1 Tiempo O(n4). ciclo i = n ciclo j = n² ciclo k = n

veces veces condición (j MOD i = 0) se cumple sólo en múltiplos de i

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 322

i

n

1 +

 i =1

(

 k=1

n

ik)=1+



i

(i

i =1



k)

k=1

n

= 1+



((i) ((i) (i + 1) / 2))

i =1

n

n

=1+



(i3 + i2) / 2 → aprox

i

3

i =1

i =1

→ aprox n4 / 4→ aprox n4 Ej.: i = 1, ..., n j = 1, ..., n2 1 1 2 1 2 2 2 3 2 4 3 1,2 3 3 3 4,5 3 6 3 7,8 3 9 4 1,...,3 4 4 4 5,...,7 4 8 4 9,...,11 4 12 4 13,.,15 4 16

MOD veces ciclo k = 1, ..., j sí 1 =1+ no sí 2 no sí 4 =6+ no sí 3 no sí 6 no sí 9 = 18 + no sí 4 no sí 8 no sí 12 no sí 16 = 40

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 323

ALGORITMOS DIVIDE Y VENCERÁS, ANÁLISIS ESTIMATIVO Tiempo O(n log(n)).

Un algoritmo tiene tiempo logarítmico O(log(n)) si usa un tiempo constante O(1) en dividir el problema en partes, normalmente la mitad.

Por otro lado, si se requiere un tiempo constante simplemente para reducir el problema en una cantidad constante, el algoritmo es O(n).

ALGORITMOS CON RETROCESO, ANÁLISIS ESTIMATIVO Si no se producen retrocesos, el tiempo es O(n2 log(n)).

No hay ejemplos patológicos que muestren que el retroceso debe suceder más de O(1) veces.

VERIFICACIÓN DEL ANÁLISIS DEL ALGORITMO DE ACUERDO AL INCREMENTO DE N . Cuando n se duplica, el tiempo de ejecución crece en un factor de 2 para programas lineales, 4 para programas cuadráticos, y 8 para programas cúbicos. . Programas que ejecutan en tiempo logarítmico, sólo incrementan en una cantidad constante cuando n se duplica. . Programas que ejecutan en O(n log(n)) tardan ligeramente más del doble bajo las mismas circunstancias.

Es difícil diferenciar los programas lineales de los programas O(n log(n)) a partir de una simple comprobación empírica.

Otro método para verificar que algún programa es O(f(n)) consiste en calcular los valores de (T(n) / f(n)) para un intervalo de n, por lo regular espaciado en factores de 2, donde T(n) es el tiempo de ejecución empíricamente observado. Si f(n) es una respuesta cercana al tiempo de ejecución, entonces los valores calculados convergen a una constante positiva. Si f(n) es una sobre valuación, los valores convergen a cero. Si f(n) está subestimada, y por lo tanto, es incorrecta, los valores divergen.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 324

16.05.Estructura de datos TAD TAD o tipo abstracto de datos es un conjunto de operaciones sencillas sobre determinados datos definidos por el usuario.

TAD es una abstracción matemática constituida por un conjunto de operaciones aplicadas a un dominio específico.

Es una manera de ver una estructura, fijándose en lo que hace y no cómo lo hace.

Por ello, necesitan un nexo para operar.

En ninguna parte del TAD se hace mención a cómo se implanta el TAD. Permite cambiar la estructura sin modificar el programa, o sea tiene independencia lógica.

Es un concepto vinculado a la modularidad.

Comprende estructuras y operaciones.

Se definen y observan reglas de sintaxis, cómo se invocan, y semántica, qué hacen y qué devuelven.

Las estructuras contienen información, ya sea datos de usuario o información estructural.

Las operaciones están asociadas al manejo de dichas estructuras permitiendo independencia lógica.

Implementando una única vez el TAD en un programa, se logra que posteriormente sea invocado mediante funciones lográndose la independencia de la implantación e implementación.

Ninguna rutina debe exceder una página. Se logra dividiendo el problema en módulos.

Cada módulo es una unidad lógica y resuelve un trabajo específico.

Ventajas:

Facilita la depuración.

Permite distribuir la tarea de programación entre varias personas.

Agiliza las modificaciones o cambios.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 325

Ejemplos: TAD lista lineal, simple, o secuencial TAD lista enlazada, o linked list TAD lista enlazada doble fin, o double ended list TAD lista doblemente enlazada, o double linked list TAD lista circular TAD lista múltiple TAD lista ordenada, o sorted list TAD pila, o stack TAD cola, o queue TAD cola circular, o c-queue TAD cola doble fin, mazo, o deque TAD cola de prioridad, o p-queue; montículo, o heap TAD polinomio TAD tabla de dispersión, o hash table, abierta TAD tabla de dispersión, o hash table, cerrada TAD árbol TAD árbol binario, o AB TAD árbol binario de búsqueda, o ABB TAD árbol AVL TAD árbol B+ Por estar suficientemente desarrolladas en la bibliografía anexa, no se incluyen en este libro los procedimientos de declaración de tipo y manejo de las distintas estructuras de acuerdo a su implementación e implantación.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 326

TAD y sus tiempos de ejecución

Operaciones

Pila o stack (estático y dinámico)

Saca o Push Mete o Pop Cima o Top Encola o Enqueue Desencola o Dequeue Cima o Top Encola o Enqueue Desencola o Dequeue Cima o Top Inserción o Insert Borrado o Delete Búsqueda o Find Inserción o Insert Borrado o Delete Búsqueda o Find Inserción o Insert Borrado o Delete Búsqueda o Find Min / Delmin Inserción o Insert Min / Delmin Inserción o Insert Min / Delmin Inserción o Insert Min / Delmin Inserción o Insert

Cola o queue (estático y dinámico) Cola doble fin, mazo o deque (estático y dinámico) Árbol ABB

Árbol AVL

Tabla dispersión o hash table

Ordenación en lista (inserción al frente) Ordenación en lista ordenada Ordenación en árbol ABB Ordenación en cola prioridad, montículo o heap

Caso promedio

O(log(n)) O(log(n)) O(log(n))

O(log(n)) O(log(n))

Caso peor O(1) O(1) O(1) O(1) O(1) O(1) O(1) O(1) O(1) O(n) O(n) O(n) O(log(n)) O(log(n)) O(log(n)) O(1) O(1) O(1) O(n) O(1) O(1) O(n) O(n) O(n) O(log(n)) O(log(n))

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 327

16.06.TAD lista Concepto Un TAD lista es una estructura de la forma a1, a2, ..., an.

Propiedades:

Se puede conocer el primer elemento y el último.

Se conoce el tamaño de la lista (n).

Dado un elemento ai, a(i + 1) es su sucesor, y a(i – 1) es el predecesor.

No se define predecesor de a1 ni sucesor de an.

Operaciones:

Acceder al késimo nodo.

Acceder al nodo siguiente o anterior a uno dado.

Insertar un nuevo nodo precediendo al késimo nodo.

Borrar el késimo nodo.

Combinar dos o más listas en una sola, procedimiento Join.

Separar una lista en dos o más, procedimiento Split.

Hacer una copia.

Determinar el número de elementos.

Clasificar los nodos en un orden determinado en función del contenido de un campo.

Buscar el elemento que contiene un valor dado en cierto campo.

Sean:

p k x

= = =

Sig(p) Prev(p) Búsqueda(k) Inserción(x, p)

Variable que apunta a un nodo cualquiera Valor de clave a buscar Nodo a agregar Devuelve la dirección del siguiente nodo.

Devuelve la dirección del nodo anterior.

Devuelve la dirección del nodo con el valor k en su clave.

Inserta el nodo x precediendo al nodo de ubicación p.

Existen distintos tipos de lista que hagan más eficiente cada una de estas operaciones.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 328

Implementación TAD LISTA LINEAL, SIMPLE O SECUENCIAL Propiedades:

Los elementos se concatenan uno detrás del otro.

Una variable liCabecera marca el nodo inicial y una condición indica el fin de lista.

TAD LISTA ENLAZADA O LINKED LIST Propiedades:

El nodo contiene un campo que apunta a la dirección absoluta o relativa del siguiente.

Una variable liCabecera marca el nodo inicial y una condición indica el fin de lista.

100

20 100

300 20

13 300

-1 13

TAD LISTA ENLAZADA DOBLE FIN O DOUBLE ENDED LIST Propiedades:

El nodo contiene un campo que apunta a la dirección absoluta o relativa del siguiente.

Una variable liCabecera marca el nodo inicial, y otra liFin indica el nodo final de lista.

Agiliza acceso al último elemento para modificar o insertar al final de la estructura.

TAD LISTA DOBLEMENTE ENLAZADA O DOUBLE LINKED LIST Propiedades:

Un segundo puntero que apunta al nodo anterior facilita el acceso a Prev(p) y reduce los tiempos de ejecución de las rutinas de acceso al predecesor de un nodo.

100

-1 100

20

100 20

300

20 300

13

300 13

-1

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 329

TAD LISTA CIRCULAR Propiedades:

Se agrega un puntero del último nodo al primero.

Es conveniente cuando la aplicación requiere de circularidad en el acceso a los datos.

TAD LISTA MÚLTIPLE Propiedades:

Existe un único conjunto de datos y m estructuras lista.

El nodo contiene un campo que apunta a la dirección absoluta o relativa del siguiente nodo de su lista.

Un conjunto de m variables liCabecera marcan el nodo inicial de cada una de las m listas. Este conjunto de cabeceras pueden conformar una estructura de lista circular.

Una condición indica el fin de cada una de las m listas.

Es una estructura útil cuando se requiere un acceso secuencial a cada subconjunto de elementos asociados a un dato común que los contenga. A su vez, si este dato pertenece a otra estructura estContinente, cada cabecera de las m listas puede almacenarse como atributo del elemento correspondiente a estContinente.

TAD LISTA ORDENADA O SORTED LIST Propiedades:

Los elementos están en orden de acuerdo a su valor.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 330

16.07.TAD pila Concepto Una pila es una lista con la restricción de que las inserciones y eliminaciones se realizan sólo en una posición, a saber, al final de la lista, llamada cima.

Una variable pPila apunta al nodo cima de pila.

Las operaciones elementales en una pila son: Mete o Push Saca o Pop Cima o Top

Equivalente a una inserción.

Equivalente a eliminar el elemento insertado más reciente.

Examina el último elemento insertado.

APLICACIONES Verificación del equilibrio de símbolos de un programa por parte del compilador Notación polaca de cálculo: expresiones posfijas Conversión de distintas notaciones de cálculo: expresión infija a posfija Control de llamadas a procedimientos y funciones

16.08.TAD cola Concepto Una cola es una lista con la restricción que la inserción se hace por un extremo, mientras que la eliminación se realiza por el otro extremo.

Una variable cCabecera apunta al primer nodo, y otra cFin indica el último elemento de la cola.

Las operaciones elementales en una cola son: Encola o Enqueue Desencola o Dequeue

Equivalente a una inserción al final de la lista.

Equivalente a eliminar el elemento del inicio o frente.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 331

APLICACIONES Algoritmos de grafos Utilización de recursos compartidos Lista de espera Teoría de colas Implementación COLA O QUEUE COLA CIRCULAR O C-QUEUE Propiedades:

No requiere mover al sacar un elemento, ocupa todos los espacios.

COLA DOBLE FIN, MAZO O DEQUE Propiedades:

Inserta y elimina de ambos extremos.

PRIORIDAD O P-QUEUE, MONTÍCULO O HEAP Propiedades:

Los elementos de la cola se ordenan por un valor.

Implantación de TAD lista, pila y cola Arreglo:

Requiere saber de antemano la cantidad máxima de elementos, salvo que se implante como arreglo dinámico.

Tiempo de buscar el késimo es constante.

Tiempo de inserción o borrado es O(n) en el peor de los casos, debido al corrimiento de los elementos subsiguientes.

Lista enlazada: Dinámica o estática.

Tiempo de inserción o borrado es O(1), y de búsqueda O(n).

Lista enlazada a base de cursores: Simula manejo de punteros mediante un arreglo adicional.

Aplicable si el lenguaje de programación no soporta su uso.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 332

16.09.TAD polinomio Concepto Es un tipo abstracto aplicable para polinomios de una variable con exponentes no negativos mediante lista.

El elemento i de la lista corresponde al coeficiente del grado i del polinomio. n

a x

f(x) =

i =0

i

i

Operaciones: Crear polinomio Suma polinomios

Grado del resultado =

MAX(grado1, grado2)

Multiplicar polinomios

Grado del resultado =

(grado1 + grado2)

Implantación: Arreglo:

Su dimensión corresponde al grado máximo del polinomio.

Cada posición del arreglo corresponde a un grado, y almacena el coeficiente.

Aumenta la eficiencia si se conoce la potencia mayor de cada término.

Problema: Conocer de antemano el grado máximo.

Gran espacio y tiempo en polinomios con dispersión de grados.

Lista enlazada:

Dos campos por nodo, coeficiente y grado.

Ordenamiento decreciente según el grado.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 333

16.10.TAD tabla de dispersión Concepto A partir del identificador o clave, el método de acceso calcula, a través de una función de aleatorización o hashing, la dirección relativa de una zona llamada bucket, balde, cubeta, celda, o paquete, en la que se encuentra el elemento a buscar. La estructura está dividida en bCant paquetes de tamaño fijo o variable.

FUNCIÓN DE DISPERSIÓN, ALEATORIZACIÓN O HASHING Es la correspondencia entre la clave y algún número en el intervalo entre o y (bCant – 1), donde se coloca el elemento asociado a dicha clave.

Ejemplos: Plegado: Conversión: Módulo:

Combinación de bits de la clave, por ejemplo, mediante OR exclusivo.

Transformación de clave en un número entero o coma flotante con uso de la mantisa.

Función lineal. h(x) = x MOD bCant / bCant sea primo Es aceptable salvo que la clave o bCant tengan características indeseables.

Cadena de caracteres: h(x) =  x(i) MOD bCant Cálculo sencillo pero en estructuras grandes no distribuye claves con uniformidad.

Cadena de caracteres: h(x) = (x(1) + x(2) * 27 + x(3) * 729) MOD bCant Considerar que la clave tiene por lo menos 3 caracteres y se usa el alfabeto inglés.

Esta función desperdicia gran cantidad de espacio en tablas grandes. n

Cadena de caracteres:



h(x) = ((

((x(n - i) * 32i) MOD bCant)) MOD bCant)

/ n = (bCant - 1)

i =0

Esta función calcula un polinomio en base a la regla de Horner y multiplica por 32 ya que es una potencia de 2 y se puede calcular por desplazamiento.

Como se puede presentar desborde, el módulo se calcula cada vez.

Combinación de varias funciones

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 334

Condiciones de la función de hashing: Distribución uniforme u homogénea dentro del paquete.

Imagen de la función = número entero de 0 a (bCant - 1).

Cantidad de baldes = bCant, preferentemente número primo para optimizar la aleatorización.

Además, para evitar colisiones, intentar no superar el factor de carga.

Implementación DISPERSIÓN ABIERTA O ENCADENAMIENTO SEPARADO Consiste en tener una lista de todos los elementos que se dispersan en el mismo valor.

Hay tantas listas como cantidad de paquetes de capacidad variable.

La función de dispersión determina a qué lista acceder.

La estructura requiere apuntadores, al siguiente elemento de su lista, y vector cabecera de listas.

Es conveniente cuando la cantidad de elementos es muy grande.

DISPERSIÓN CERRADA O DIRECCIONAMIENTO ABIERTO Cada paquete, de capacidad fija, contiene un único elemento o arreglo de elementos.

De ocurrir una colisión, el elemento se coloca en otro balde vacío.

No necesita apuntadores entre los elementos, sólo un puntero cabecera de estructura.

Requiere espacio adicional, siendo costoso cuando hay gran volumen de datos.

Otras consideraciones FACTOR DE CARGA  Es el cociente entre la cantidad de elementos usados de la tabla y cantidad total prevista.

Hash abierto: Búsqueda infructuosa =  visitas en promedio.

Búsqueda exitosa = 1 + ( / 2) visitas en promedio.

Se utiliza un valor entre 1 y 3.

Hash cerrado: Normalmente se utiliza un  entre 0,5 y 0,75.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 335

REDISPERSIÓN Cuando el TAD tabla de dispersión o hash table comienza a llenarse demasiado es necesario construir una nueva estructura del doble de su tamaño original. Este procedimiento se denomina redispersión.

Su costo en tiempo de ejecución es O(n).

COLISIÓN Si una función de hashing dispersa dos claves en un mismo lugar de la tabla se dice que sucedió una colisión, o cuando la cubeta se satura.

Una colisión se genera cuando al insertar un elemento en la estructura TAD tabla de dispersión o hash table, se dispersa en el mismo valor que un elemento ya insertado, o si se produce saturación o overflow.

- Dispersión abierta o encadenamiento separado: No se producen colisiones.

- Dispersión cerrada o direccionamiento abierto: Las colisiones se resuelven dentro de la misma tabla.

Exploración lineal: Esta función permite recorrer la celdas en secuencia hasta encontrar el elemento buscado o determinar que no se encuentra. h’(x) = [h(x) + i ] MOD bCant Produce bloques de claves llamados agrupamientos primarios.

Tiempo de inserción y búsqueda no exitosa: (1 / 2) * (1 + 1 / (1 - )2) Tiempo de búsqueda exitosa: (1 / 2) * (1 + 1 / (1 - )) Exploración cuadrática: Para esta solución la tabla no puede estar nunca demasiado llena.

Esto es así ya que no todos los enteros son el cuadrado perfecto de otro. h’(x) = [h(x) + i2 ] MOD bCant Teorema: Si se usa la exploración cuadrática y el tamaño de la tabla es primo, entonces siempre se puede insertar un elemento nuevo si la tabla está al menos medio vacía.

Dispersión doble o rehashing: Aplica una segunda función h2 y prueba distancias h2(x), 2 * h2(x), 3 * h2(x), ...

Esta técnica está condicionada a una buena elección de h2. h2 (x) = r - (x MOD r) / r < bCant Lista múltiple de elementos que colisionan.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 336

16.11.TAD árbol Concepto Un árbol es una colección o conjunto de nodos.

Una forma natural de definir una estructura TAD árbol es recursivamente.

Por la definición recursiva, uno de los nodos del conjunto es la raíz, y (n – 1) aristas o ramas.

De no estar vacío, consiste en un nodo raíz r0 y cero o más subárboles a1, a2, ..., an, cada uno de los cuales tiene su raíz conectada a r por medio de una arista o rama dirigida.

La raíz de cada subárbol es un hijo de r0, y r0 es el padre de cada raíz de los subárboles.

Los nodos sin hijos se denominan hojas.

Un camino del nodo n1 a nk se define como la secuencia de nodos n1, n2, ..., nk, tal que nj es el padre de (nj + 1) para 1 <= j < k.

Si hay un camino de n1 a n2, n1 es antecesor y n2 es descendiente.

La longitud de este camino es el número de aristas que lo forman, (k – 1).

La profundidad de nj es la longitud del camino único entre la raíz r0 y nj. La raíz tiene una profundidad cero.

La altura de nk es el camino más largo de nk a una hoja. Las hojas son de altura cero.

Implementación TAD ÁRBOL SIMPLE Implantación: Lista enlazada de nodos de árbol conteniendo los hijos de ese nodo: aPriHijo aSigHermano Aplicaciones: Estructura de directorio en un sistema de archivos jerárquico.

Siendo por definición una estructura recursiva, se presentan algunos algoritmos:

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 337

-Mostrar los elementos de un directorio informando profundidad y nombre de archivo -Recorrido en orden previo, prefijo o preorden: Opera el nodo antes de procesar sus hijos Proc_pseudocódigo Rec_dir(dNom, profundidad) Comienzo Si dNom es_entrada_legítima Muestra_nom(profundidad, dNom) Si dNom es_archivo_directorio /recorre el árbol según su puntero dPriHijo y los punteros dSigHermano de sus hijos Para cada_hijo_de_dNom Rec_dir(dNom, (profundidad + 1)) FinPara FinSi FinSi Fin -Mostrar los elementos de un directorio informando nombre de archivo y espacio ocupado -Recorrido en orden posterior, posfijo o posorden: Opera el nodo luego de procesar sus hijos Proc_pseudocódigo Espacio_dir(dNom) Comienzo eTot = 0 Si dNom es_entrada_legítima eTot = dEspacio Si dNom es_archivo_directorio /recorre el árbol según su puntero dPriHijo y los punteros dSigHermano de sus hijos Para cada_hijo_de_dNom eTot = eTot + Espacio_dir(dNom) FinPara FinSi Muestra_esp(dNom, eTot) Dev eTot Finsi Fin PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 338

TAD ÁRBOL BINARIO O AB Ningún nodo tiene más de dos hijos.

Un nodo es un registro con la información llave y dos apuntadores, izquierdo y derecho.

Implantación: Apuntadores Aplicaciones: Árbol de expresión Las hojas de un árbol de expresión son operandos y los otros nodos contienen operadores.

Almacena operaciones unarias o binarias.

Se puede evaluar un árbol de expresión aplicando el operador contenido en la raíz a los valores resultantes de la evaluación recursiva de los subárboles izquierdo y derecho.

Su recorrido en orden infijo o inorden opera de la manera siguiente. Se produce recursivamente una expresión izquierda con paréntesis, luego se visualiza el operador de la raíz, y por último se produce recursivamente una expresión derecha con paréntesis. Es una estrategia simétrica, izquierda raíz derecha.

Otras estrategias alternativas de recorrido: Prefijo: Posfijo:

raíz izquierda derecha izquierda derecha raíz

TAD ÁRBOL DE BÚSQUEDA, ÁRBOL BINARIO DE BÚSQUEDA O ABB Tiene la propiedad que para cada nodo x en el árbol, los valores de todas las claves del subárbol izquierdo son menores que el valor de la llave de x, y los valores de todas las llaves del subárbol derecho son mayores que el valor de la llave de x.

Los elementos están ordenados en forma consistente.

Las rutinas de acceso son recursivas.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 339

Ejemplo:

-Operación de búsqueda para árboles binarios de búsqueda devolviendo un puntero Proc_pseudocódigo Busca_aE(aBB, elem) Comienzo Si aBB es_vacío Dev nulo Sino Si elem = aElem Dev aPunt Sino Si elem < aElem aPunt = Busca_aE(aPuntI, elem) Dev aPunt Sino aPunt = Busca_aE(aPuntD, elem) Dev aPunt FinSi FinSi FinSi Fin -Operación de visualización para árboles binarios de búsqueda recorrido infijo Proc_pseudocódigo Visual_a(aBB) Comienzo Si aBB no_es_vacío Visual_a(aPuntI) Muestra(aElem) Visual_a(aPuntD) FinSi Fin

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 340

-Operación de cálculo de altura de un árbol binario de búsqueda recorrido en orden posfijo Proc_pseudocódigo Altura_a(aBB) Comienzo Si aBB es_vacío Dev -1 Sino alturaI = Altura_a(aPuntI) alturaD = Altura_a(aPuntD) alturaMax = Max(alturaI, alturaD) altura = 1 + alturaMax Dev altura FinSi Fin TAD ÁRBOL AVL Un árbol AVL (Adelson, Velskii y Landis) es un árbol binario de búsqueda con una condición de equilibrio.

En todo nodo del árbol, la altura de los subárboles izquierdo y derecho puede diferir a lo más en 1, asegurando una profundidad del árbol de O(log(n)).

Si se pierde la condición de equilibrio, se debe restaurar esta propiedad mediante una modificación al árbol.

Este algoritmo denominado rotación puede ser sencilla o doble.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 341

TAD ÁRBOL B+ Un árbol B+ de orden m es un árbol con las propiedades estructurales siguientes: La raíz es una hoja o tiene entre 2 y m hijos.

Todos los nodos rama tienen entre (m / 2) y m hijos.

Todas las hojas están a la misma profundidad.

Los datos, o la dirección asociada a cada dato, se almacenan en las hojas.

El número de llaves en una hoja está entre (m / 2) y m.

Cada nodo interior contiene: (p1, k1, p2, k2, ..., p(m – 1), k(m – 1), pm) Apuntadores: p1, p2, ..., pm

Cada uno apunta a un hijo.

Valores:

Representan la llave menor de los subárboles p2, p3, ..., pm.

k1, k2, ..., k(m – 1)

La profundidad de un árbol B+ es a lo más log(m / 2)(n), siendo m el orden, considerando que en promedio el nodo contiene (m / 2) llaves.

La búsqueda dentro del nodo se realiza en O(log(m)).

La recorrida del árbol se realiza en O(logm(n)) considerando que el nodo contiene m llaves, no su promedio.

Desventajas: La recorrida puede degenerar de O(logm(n)) a O(n): si las altas a las claves son ordenadas o parcialmente ordenadas si el árbol contiene datos volátiles o sea, sufre muchas altas o bajas PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 342

De acuerdo a la cantidad de apuntadores se lo conoce como: TAD ÁRBOL 2-3, TAD ÁRBOL 2-3-4, TAD ÁRBOL 5-9

o 2-3 TREE o 2-3-4 TREE

Aplicaciones: Índice jerarquizado: Garantiza que para todo registro lo encuentro en un número fijo de accesos: cantidad de niveles más uno.

Contiene un único nodo raíz.

Cada nodo contiene (m – 1) claves y m punteros, con la siguiente estructura: (p1, k1, p2, k2, ..., p(m – 1), k(m – 1), pm) Contenido de los nodos de un árbol B+: Hoja:

(m - 1) punteros correspondientes a la dirección del dato almacenado en otra estructura, asociados a (m - 1) claves.

1 puntero al siguiente nodo hoja.

Raíz y rama: Las claves se relacionan con los punteros hacia el nivel inferior del árbol, según parámetro: p1 apunta a pi apunta a k(i – 1) <= pm apunta a k(m – 1) <=

clave < k1 clave < ki / i = 1, ..., (m - 1) clave

Los elementos pueden accederse en orden de acuerdo al valor de clave, facilidad que no contempla el TAD tabla de dispersión.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 343

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – 16 ----------------- 344

B.BIBLIOGRAFÍA ARQUITECTURA DE COMPUTADORES Pedro de Miguel y José M. Angulo Editorial Paraninfo - Tercera edición - 1991 FUNDAMENTOS Y ESTRUCTURA DE COMPUTADORES José M. Angulo, Javier García e Ignacio Angulo Editorial Thomson/Paraninfo - Primera edición - 2003 ORGANIZACIÓN DE COMPUTADORAS – Un enfoque estructurado Andrew S. Tanenbaum y James Goodman Editorial Prentice Hall - Cuarta edición – 2000 STRUCTURED COMPUTER ORGANIZATION Andrew S. Tanenbaum y James Goodman Editorial Prentice Hall – Quinta edición – 2007 ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA DE COMPUTADORES William Stallings Editorial Prentice Hall – Séptima edición – 2007 ESTRUCTURA Y DISEÑO DE COMPUTADORES David A. Patterson y John L. Hennessy Editorial Reverté - 2000 SISTEMAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS Jorge M. Álvarez Instituto de Tecnología Ort de Buenos Aires - 1991

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 345

ORGANIZACIÓN DE COMPUTADORES AVANZADO Rafael Cohen Universidad ORT Uruguay – 2002 ÁLGEBRA MODERNA Y TRIGONOMETRÍA Mary Dolciani, Simon Berman y William Wooton Editorial Publicaciones Cultural S.A. - Segunda edición - 1970 ÁLGEBRA LINEAL Y GEOMETRÍA Ángel Rafael Larrotonda Editorial Eudeba - 1973 CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL Lipman Bers Editorial Nueva Editorial Interamericana – 1972 CÁLCULO NUMÉRICO Y GRÁFICO Manuel Sadosky Editorial Librería del Colegio – Octava edición - 1973 COMUNICACIÓN MODERNA DE DATOS William P. Davenport Editorial Glem – Segunda edición – 1978 SISTEMAS OPERATIVOS Abraham Silberschatz y Peter B. Galvin Editorial Pearson - Quinta edición - 1999

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 346

EFFECTIVE STRUCTURED TECHNIQUES – From Strategy To CASE C. P. Allen Editorial Prentice-Hall - 1991 MODERN STRUCTURED ANALYSIS E. Yourdon Editorial Prentice-Hall - 1992 OBJECT ORIENTED ANALYSIS E. Yourdon Editorial Yourdon Press – 1991 OBJECT ORIENTED DESIGN E. Yourdon Editorial Yourdon Press - 1991 FUNDAMENTOS DE BASES DE DATOS Abraham Silberschatz, Henry F. Korth y S. Sudarshan Editorial McGraw-Hill - Tercera edición - 1998 SISTEMAS DE BASES DE DATOS – Conceptos fundamentales Ramez Elmasri y Shamkant Navathe Editorial Addison-Wesley Iberoamericana - Tercera edición - 2000 ESTRUCTURAS DE DATOS Y ANÁLISIS DE ALGORITMOS Mark Allen Weiss Editorial Addison-Wesley Iberoamericana - 1995 ESTRUCTURAS DE DATOS EN JAVA Mark Allen Weiss Editorial Addison-Wesley Iberoamericana - 2000

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 347

DATA STRUCTURES AND ALGORITHMS IN JAVA Robert Lafore Editorial Sams – Segunda edición - 2003 ALGORITMOS Y ESTRUCTURAS DE DATOS – Presentación PowerPoint Helena Garbarino Universidad ORT Uruguay ESPEJOS – UNA HISTORIA CASI UNIVERSAL Eduardo Galeano Editorial Siglo XXI – Primera edición – 2008 HISTORIA GENERAL DE LAS CIVILIZACIONES – Volumen I a VII Maurice Crouzet Editorial Destino – España - 1961

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 348

C.CUESTIONARIO 01.01.

01.02.

01.03.

01.04.

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01.06.

01.07.

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01.11.

01.12.

01.13.

¿Qué diferencia existe entre una calculadora y una computadora?

Diseñar el diagrama de una computadora y sus periféricos. ¿Por qué la computadora necesita un cerebro?

La computadora, ¿dónde genera las acciones? ¿Cómo sabe la computadora lo que tiene que hacer en un momento dado?

La UCP, ¿de dónde obtiene las instrucciones? ¿Para qué se utiliza la memoria principal? ¿Qué es una instrucción? ¿Dónde se ejecuta?

Definir concepto de programa. ¿Qué es un periférico de entrada/salida? ¿Qué es un controlador y cuál es su función? ¿Qué es un canal de entrada/salida?

Indicar diferencia entre hardware y software.

02.01. Definir bit, byte y palabra.

02.02. ¿Cuál es la mínima unidad de información en la computadora?

02.03. ¿Cuál es la mínima unidad de información que la computadora ubica o direcciona en la memoria principal; o qué es lo más pequeño que puede representar, significar o informar?

02.04. ¿Qué significa contenido de información de una estructura?

02.05. Indicar las posibles representaciones de valores que permite una computadora y sus rangos.

02.06. ¿Cómo se representa el cero en punto flotante? Justificar.

02.07. Dar concepto de álgebra de Boole.

03.01.

03.02.

03.03.

03.04.

03.05.

03.06.

¿Qué tipo de memorias existen?

Dar diferencia entre memoria principal y auxiliar.

Indicar algunas características de las memorias de acuerdo a capacidad, tipo y tiempo de acceso. ¿Qué significa que una memoria sea ROM? Dar concepto de firmware.

Indicar las distintas tecnologías en memoria.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 349

04.01.

04.02.

04.03.

04.04.

04.05.

¿Qué es un bus? ¿Qué es el bit de paridad y para qué se utiliza?

Indicar los componentes de la memoria principal.

Hacer un diagrama y puntualizar el ciclo de lectura en memoria principal.

Hacer un diagrama y puntualizar el ciclo de grabación en memoria principal.

05.01.

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05.13.

¿Cuáles son los componentes fundamentales de la UCP? ¿Cuál es la función de la unidad aritmética lógica? ¿Qué hace la UAL? ¿Cuál es la función de la unidad central? ¿Para qué sirven los registros? ¿Dónde están ubicados?

Indicar el contenido de los registros de: Instrucción, Dirección, Datos, Próxima Instrucción, Estado.

Indicar los pasos del ciclo de ejecución de una instrucción en la UCP. ¿Por qué el R.P.I. se incrementa en los primeros pasos del ciclo de ejecución de una instrucción? ¿Para qué se utilizan las instrucciones de control?

Definir microinstrucción.

Describir el uso del secuenciador de la UCP. ¿Qué almacena la memoria de control y dónde está ubicada? ¿Qué es un microprograma?

Indicar diferencia entre las computadoras CICS y RISC.

06.01.

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¿Qué es un programa fuente y cómo se ingresa a la computadora? ¿Qué es un programa objeto? ¿Qué hace el compilador? ¿Qué es un programa ejecutable? ¿Qué función cumple el vinculador o linker? ¿Qué es la imagen de memoria de un programa? ¿Qué función cumple el cargador?

Definir proceso.

Detallar qué acciones se realizan en cada una de las dos fases de ejecución del ensamblador.

Indicar los modos de direccionamiento a memoria, especificando en cada caso sus posibilidades.

Dar concepto de macroinstrucción y subrutina. Especificar diferencias.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 350

07.01. ¿Qué es una interrupción? ¿Para qué sirve?

07.02. Indicar lo que hace la UCP cuando se produce una interrupción.

07.03. Dar una clasificación general de las interrupciones.

08.01.

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08.16.

¿Cómo se clasifican los sistemas informáticos de acuerdo a la computación de los procesos? ¿Cuáles son los objetivos de los sistemas distribuidos?

Definir informática.

Definir telecomunicación.

Definir teleinformática. ¿Qué es una red de transmisión de datos? ¿Qué diferencia existe entre una red de área local LAN y una de largo alcance?

Indicar los posibles modos de computación de un sistema distribuido débilmente acoplado.

Indicar los posibles sistemas de archivos de un sistema distribuido débilmente acoplado.

Indicar consideraciones de diseño desde el punto de vista de su topología. ¿A qué apunta la estrategia de encaminamiento o ruta? Especificar alternativas. ¿A qué hace referencia la estrategia de conexión? Indicar posibilidades. ¿Qué estudia la competencia? Describir algunos de sus mecanismos. ¿Qué analiza la estrategia de diseño? ¿Por qué se divide el problema en capas?

Mencionar la estructura por capas del modelo OSI. De acuerdo al sistema informático indicar la diferencia en la determinación del orden de los sucesos.

09.01.

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09.06.

¿Por qué se necesita optimizar la velocidad de procesamiento?

Indicar alternativas para aumentar la velocidad de procesamiento de la información. ¿Qué es el procesamiento en paralelo?

Clasificar las computadoras de acuerdo a su paralelismo en base a lo especificado por Flynn.

Mencionar la clasificación comercial de procesadores paralelos.

Describir la tecnología de los procesadores de quinta generación.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 351

10.01.

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10.20.

Dar dos definiciones de sistema operativo. ¿Qué función cumple el programa de arranque o bootstrap? ¿Qué función cumple el proceso de generación de sistemas o Sysgen? ¿Qué función cumple el proceso de instalación o Install?

Indicar los posibles modos de procesamiento en un sistema informático.

Definir monoprogramación, multiprogramación y multiprocesamiento. ¿Cómo opera un sistema de tiempo compartido o multitarea?

Mencionar los componentes de un sistema operativo.

Describir la gestión de procesos.

Describir la gestión de memoria principal.

Describir la gestión de archivos.

Describir la gestión de entrada/salida.

Describir la gestión de almacenamiento masivo o secundario.

Describir la gestión de fiabilidad.

Describir la gestión de protección.

Describir la gestión de seguridad.

Describir la gestión de integridad.

Describir la gestión de teleinformática.

Describir las gestiones de mantenimiento y contable. ¿Qué es el intérprete de comandos? ¿Cómo se puede implementar?

11.01.

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Indicar diferencia entre espacio de direcciones lógico y físico.

Dar conceptos de superposición u overlay, e intercambio o swapping.

Describir la asignación contigua de memoria.

Detallar la técnica de paginación. ¿Cómo funciona la técnica de segmentación?

Mencionar diferencias entre segmentación paginada y paginación segmentada.

Desarrollar la técnica de memoria virtual, puntualizando el mecanismo por fallo de página.

Dar las posibilidades en cuanto a la asignación de marcos. ¿Qué significa hiperpaginación y cómo se resuelve? ¿Qué consideraciones deben hacerse al definir el tamaño de página?

En un sistema de memoria virtual, ¿cuáles son las consideraciones a nivel programación?

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 352

12.01.

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¿Qué es un proceso? ¿Qué es el bloque de control de procesos? Describir su contenido. ¿Qué función cumple la planificación de procesos? ¿Qué significa conmutación de contexto?

Dar concepto de hilo.

Describir las operaciones con procesos padre/hijo.

Indicar diferencia entre procesos independientes y cooperativos, desarrollando estos últimos.

Detallar la comunicación entre procesos o Ipc, indicando posibles implementaciones. ¿Qué es una transacción? Indicar propiedades. Desarrollar sus posibles estados.

Dar concepto de control de concurrencia y describir algunos algoritmos.

Describir los sistemas de recuperación, en particular el basado en bitácora.

Desarrollar el procedimiento de recuperación de caídas basado en bitácora.

Dar concepto de sincronización de procesos. ¿Qué es la sección crítica?

Describir los procedimientos básicos de sincronización, solución para dos procesos, hardware de sincronización, semáforos, regiones críticas y monitores.

12.14. Desarrollar el concepto de bloqueo mutuo, sus características y métodos de manejo.

12.15. ¿Cómo se recupera el sistema después de un bloqueo mutuo?

12.16. Indicar cómo se puede implementar estrategias combinadas para el manejo de bloqueos mutuos.

13.01.

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13.11.

Indicar la clasificación jerárquica de los sistemas de almacenamiento.

Describir el funcionamiento de una unidad de disco magnético.

Dar concepto de archivo. ¿Qué es un directorio?

Indicar las posibles operaciones con archivos.

Definir gestión de espacio libre e indicar posibles implementaciones.

Definir método de asignación de espacio e indicar posibles implementaciones.

Definir métodos de acceso e indicar posibles implementaciones.

Describir una implementación del sistema de archivos por capas. ¿Para qué se utiliza la planificación de entrada/salida?

Definir concepto de buffer, spool y caché.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 353

14.01.

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Definir sistema.

Describir el ciclo de vida de un proyecto, detallando cada etapa.

Indicar las diversas herramientas de modelización de acuerdo a los elementos del proyecto.

Describir la herramienta de modelización LE o lista de eventos.

Describir la herramienta de modelización DC o diagrama de contexto.

Describir la herramienta de modelización DFD o diagrama de flujo de datos.

Describir la herramienta de modelización STD o diagrama de transición de estados.

Describir la herramienta de modelización ERD o diagrama entidad relación o MER. ¿Qué es una entidad? Definir conjunto de entidades. ¿Qué es una relación? Definir conjunto de relaciones.

Indicar diferencia entre entidad fuerte y débil.

Indicar diferencia entre especialización y generalización, detallando ligaduras de diseño. ¿Para qué sirve la agregación en el modelo entidad relación?

Describir la herramienta de modelización DD o diccionario de datos.

Describir la herramienta de modelización EPR o especificaciones de procesos.

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¿Qué es un sistema de base de datos?

Indicar los posibles niveles de abstracción de la información.

Detallar diferencia entre instancia, esquema y vista. ¿Qué significa independencia de datos? Especificar diferencia entre independencia física y lógica.

Describir los lenguajes de bases de datos, indicando para qué se utilizan. ¿Qué es el diccionario de datos? ¿Qué es un modelo? Dar clasificación de los modelos de datos.

Definir superclave, clave candidata y clave primaria.

Describir el modelo relacional. ¿Qué es una tabla?

Indicar diferencia entre atributo nulo y no nulo, primo y no primo, atómico y multivaluado.

Dar concepto de agrupación.

Definir fiabilidad e indicar posibles implementaciones.

Mencionar la diferencia entre el mecanismo de protección y seguridad.

Mencionar la diferencia entre las restricciones de integridad y el control de concurrencia.

Dar concepto de modelo orientado a objetos.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN – UNA APROXIMACIÓN A SUS FUNDAMENTOS – BC ----------------- 354

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16.15.

16.16.

16.17.

16.18.

16.19.

16.20.

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16.23.

16.24.

16.25.

16.26.

16.27.

16.28.

16.29.

16.30.

16.31.

¿Qué es un algoritmo?

Indicar cuatro factores a analizar cuando se desea calcular tiempo de ejecución.

Definir función recursiva. ¿Cuándo conviene implementar este algoritmo? Ejemplificar.

Indicar las cuatro reglas de la recursividad.

Indicar dos esquemas donde no conviene usar recursión.

Dar concepto de algoritmo divide y vencerás. Ejemplificar.

Dar concepto de algoritmo con retroceso o backtracking. Ejemplificar.

Dar dos ejemplos de aplicaciones eficientes de algoritmo recursivo y dos deficientes.

Cuando se analiza un algoritmo, ¿qué significa tasa de crecimiento relativa? ¿Cuál es el objetivo de las definiciones O grande, Omega, Theta y o pequeña? ¿Qué significa que una función sea O grande? Idem Omega, Theta, o pequeña.

Cuando se mide tasa de crecimiento, ¿cuál indica cota superior y cuál inferior?

Una vez realizado el análisis del algoritmo, ¿cómo se verifica de acuerdo al incremento de n?

Definir TAD. ¿Qué dos elementos comprende un TAD? ¿Qué contiene cada uno?

Mencionar algunas estructuras TAD. Definir TAD lista. Indicar implantación de TAD lista.

Indicar posibles implementaciones de TAD lista.

Definir TAD pila. Indicar implantación de TAD pila. Mencionar aplicaciones de TAD pila.

Definir TAD cola. Indicar implantación de TAD cola. Mencionar aplicaciones de TAD cola.

Indicar posibles implementaciones de TAD cola.

Dar concepto de organización aleatoria.

Indicar algunas de las funciones de aleatorización o hashing más utilizadas.

Indicar tres condiciones que debe cumplir una función de dispersión, aleatorización o hashing. ¿Qué significa que una función de dispersión provoca colisión? Indicar los métodos para resolverlo.

Definir factor de carga. ¿Qué significa redispersión?

Definir TAD árbol e indicar características.

Indicar posibles implementaciones de TAD árbol.

Dar características de TAD árbol binario, TAD árbol binario de búsqueda y TAD árbol AVL. Dar características de TAD árbol B+.

Indicar la diferencia de contenido entre los nodos raíz o ramas y nodos hojas en un TAD árbol B+.

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AGRADECIMIENTOS María Cillis Leandro Alesso Juan F. Cicale y a los que desde el inicio de los tiempos comparten su imaginación

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Marta Muriago nace en Buenos Aires en 1955.

Computadora científica egresada de la Universidad de Buenos Aires y poeta, desarrolla su actividad profesional en las áreas de análisis de sistemas y sistemas operativos en varios países latinoamericanos.

Desde joven se incorpora al ámbito educativo, abarcando cursos de asesoramiento técnico, y nivel superior en diversas instituciones entre las que se destacan Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, Instituto de Tecnología ORT Argentina, Universidad Argentina J. F. Kennedy, Universidad Tecnológica Nacional regional La Plata, Universidad Católica de La Plata, Instituto Tecnológico Colonia CTC ORT.

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la edición de este libro se terminó de compaginar el 5 de junio de 2008 en los talleres gráficos de Lucared Rivera 141 – Colonia del Sacramento

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