Son los medios físicos que permiten llevar a cabo un proceso de datos, conforme lo ordenan las instrucciones de un cierto programa, previamente memorizado en un computador.
El hardware de un computador es la totalidad física, conformada por todos los componentes de su equipamiento: circuitos electrónicos, plaquetas que lo soportan, cables o caminos conductores (buses) que los interconectan, mecanismos, discos, motores, gabinetes, etc.
Con estos elementos se constituyen los distintos bloques funcionales del hardware: procesador, memoria, periféricos, interfaces, etc.
¿CUALES SON LOS BLOQUES CONSTITUYENTES BÁSICOS DEL HARDWARE DE UN COMPUTADOR Y QUE FUNCIONES CUMPLEN?
1) Memoria Principal (M.P).
* Se compone de un conjunto de celdas del mismo tamaño (numero de bits). Cada celda está autentificada por un numero binario único denominado dirección.
* Una vez seleccionada una celda mediante su correspondiente dirección, se pueden hacer dos operaciones:
* Lectura. Permite conocer el valor almacenado anteriormente.
* Escritura. Almacena un nuevo valor.
* En la arquitectura Von Neumann, la M.P. almacena tanto las instrucciones maquinas como datos.
2) Unidad Aritmético-Lógica (UAL).
* Realiza las operaciones elementales, tanto aritméticas como lógicas, que implementa el computador: suma, resta, AND, OR, etc.
* Los datos con los que opera se leen de la M.P., y pueden almacenarse temporalmente en los registros que tiene la U.A.L.
3) Unidad de Control (U.C).
* Ejecuta las instrucciones maquina almacenadas en la M.P. para ello:
* Captura las instrucciones de la M.P. y las decodifica.
* Según el tipo de instrucción, genera señales de control a todas las unidades del computador para poder realizar su ejecución.
> Si la instrucción opera con datos deberá acceder a la M.P. para transferirlos a la U.A.L.
> Proporciona las señales necesarias a la U.A.L. para que realice la operación correspondiente a la instrucción.
> Controlará las Unidades de Control de E/S si la instrucción accede a alguno de estos dispositivos.
* Tiene un registro apuntador, denominado Contador de Programa, que en cada instante contiene la dirección de la próxima instrucción a ejecutar.
4) Unidad de Entrada/Salida (U. E/S).
* Realiza la transferencia de información con las unidades externas, denominadas Periféricos: unidades de almacenamiento secundario (disco duro, disquete, cinta, etc.), impresoras, terminales, etc.
* Generalmente los programas y los datos tienen un tamaño elevado por lo que no se pueden almacenar por completo en la M.P. Por otra parte, el usuario de un computador tiene la necesidad de ejecutar varios programas, simultáneamente. Por ello, se utiliza la memoria secundaria, que se considera como un periférico. La MS es más lenta que la principal, pero tiene una mayor capacidad de almacenamiento.
* Como para ejecutar un programa este debe estar en la M.P., la U.C. genera las señales necesarias a la U. E/S. para transferir los datos y los programas desde la M.S. a la M.P.
* Además la U. E/S. permite otras operaciones, como visualizar en una pantalla o imprimir en papel los resultados obtenidos.
5) Buses.
* Además de las 4 unidades básicas, en un computador existen conjuntos de señales, que se denominan buses, y cuya función es transferir las instrucciones y los datos entre las distintas unidades.
* Se suelen distinguir tres tipos de buses:
* Bus de Direcciones.
* Bus de Datos.
* Bus de Control.
6) Unidad Central de Proceso. (U.C.P.).
* Es el conjunto formado por la U.C., los registros y la U.A.L., es decir el bloque encargado de ejecutar las instrucciones.
* Con la aparición de los circuitos integrados, y en concreto a partir de los años 70, cuando la tecnología alcanzó el nivel de integración adecuado, se integro en una sola pastilla la U.C.P. a este circuito integrado se le denomina Microprocesador.
7) Observación.
* Una forma de determinar el rendimiento de un computador es por el numero de instrucciones que ejecuta por segundo (MIPS). Así, generalmente un computador con un numero MIPS elevado, equivale a decir, que tiene una gran capacidad de procesamiento.
* Al ser la UCP el bloque encargado de la ejecución del programa, tiene que funcionar a la mayor velocidad posible. Por ello, se implementa con dispositivos semiconductores, que por los avances tecnológicos actuales, pueden trabajar a frecuencias muy elevadas (del orden de 150MHZ).
* Como la MP suministra las instrucciones y los datos a la UCP, tiene que ser también lo más rápida posible, por lo que se implementa igualmente con dispositivos semiconductores.
LOS REGISTROS DE LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO.
La UCP tiene 14 registros internos, cada uno de ellos de 16 bits (una palabra). Los bits están enumerados de derecha a izquierda, de tal modo que el bit menos significativo es el bit 0.
Los registros se pueden clasificar de la siguiente forma:
* Registro de Datos.
* AX: Registro acumulador. Es el principal empleado en las funciones aritméticas.
* BX: Registro base. Se usa para indicar un desplazamiento.
* CX: Registro contador. Se usa como contador en los bucles.
* DX: Registro de datos. También se usa en las operaciones aritméticas.
Estos registros son de uso general y también pueden ser utilizados como registros de 8 bits, para utilizarlos como tales es necesario referirse a ellos como por ejemplo: AH y AL, que son los bytes alto (high) y bajo (low) del registro AX. Esta nomenclatura es también aplicable a los registros BX, CX y DX.
* Registro de Segmentos.
* CS: Registro de segmento de código. Contiene la dirección de las instrucciones del programa.
* DS: Registro de segmento de datos. Contiene la dirección del área de memoria donde se encuentran los datos del programa.
* SS: Registro de segmento de pila. Contiene la dirección del segmento de pila. La pila es un espacio de memoria temporal que se usa para almacenar valores de 16 bits (palabras).ç
* ES: Registro segmento extra. Contiene la dirección del segmento extra. Se trata de un segmento de datos adicional que se usa para superar la limitación de los 64kb del segmento de datos y para hacer transferencias de datos entre segmentos.
* Registros Punteros de Pila.
* SP: Puntero de la pila. Contiene la dirección relativa al segmento de la pila.
* BP: Puntero base. Se utiliza para fijar el puntero de pila y así poder acceder a los elementos de la pila.
* Registros Índices.
* SI: Índice fuente.
* DI: Índice destino.
* Puntero de Instrucciones.
* IP: Registro puntero de instrucción o contador de programa (PC). Contiene el desplazamiento de la siguiente instrucción a ejecutar respecto al segmento de código en ejecución. Por lo tanto, la dirección completa de la siguiente instrucción seria CS:IP. La única forma de influir en este registro es de forma indirecta mediante instrucciones de bifurcación.
* Registro de Banderas (Flags).
Cada bandera es un bit y se usa para registrar la información de estado y de control de las operaciones del microprocesador. Hay nueve banderas (los 7 bits restantes no se utilizan):
* Banderas de Estado: Registran el estado del procesador, normalmente asociado a una comparación o a una instrucción aritmética.
* CF: Bandera de acareo.
* OF: Bandera de desbordamiento (aritmético).
* ZF: Bandera de resultado 0 o comparación igual.
* SF: Bandera de resultado o comparación negativa.
* PF: Bandera de paridad (numero par de bits).
* AF: Bandera auxiliar. Indica si hay necesidad de ajustes en las operaciones aritméticas con números BCD.
* Banderas de Control.
* DF: Bandera de dirección. Controla la dirección de las operaciones con cadenas de caracteres incrementando o excrementando automáticamente los registros índices (SI y DI).
* IF: Bandera de interrupciones. Indica si están permitidas o no las interrupciones de los dispositivos externos.
* TF: Bandera de atrape. Controla la operación de modo paso a paso (usada por el programa DEBUG).
¿QUE SON LAS DIRECCIONES Y LOS CONTENIDOS DE LA MEMORIA PRINCIPAL?
La memoria principal almacena bits (unos y ceros) en celdas independientes, aisladas entre sí, que contienen un byte (8 bits) de información.
Cada celda se localiza en el conjunto mediante un numero binario identificatorio, que constituye su dirección, o indicación de su posición en ese conjunto.
Este número no se puede alterar, pues está establecido circuitalmente.
Por lo tanto, en relación con cada celda se tiene dos números binarios:
* Un número fijo, la dirección (de más de 20 bits), que presentado en los circuitos de la memoria permite acceder a una celda; y
* Un número de 8 bits, que es el contenido informativo de esa celda, o sea la combinación de unos y ceros almacenada en ella. Este número puede cambiarse si la memoria es alterable.
En cada dirección de memoria (celda) solo pueden leerse o escribirse 8 bits por vez, sin posibilidad de operar menor cantidad de bits, o un bit aislado.
Puesto que la palabra registro en un significado general indica algún lugar donde datos se pueden registrar, guardar, podría designarse registro a cada celda de memoria, y decir que la MP está formada por un conjunto de registros independientes de 8 bits cada uno. Para evitar tener que aclarar “registro de la UCP” y “registro de MP”, se entiende que registro a secas significa que el de la UCP, y las celdas de MP se denominan posiciones.
Cuando los datos o instrucciones ocupen más de un byte, se almacenan fragmentados en varios bytes, los cuales deben estar contenidos en celdas consecutivas de memoria, o sea en direcciones sucesivas.
En una operación de lectura o escritura de MP se puede acceder a varias celdas consecutivas. Un cierto número de estas (2, 4 u 8 bytes) suele denominarse palabra (“Word”) de memoria.
¿COMO SE DIRECCIONA, SE LEE Y SE ESCRIBE EN LA MEMORIA PRINCIPAL?
En relación con la MP solo son posibles dos operaciones que puede ordenar la UCP: la lectura o la escritura, pero antes de realizar cualquiera de ellas, la UCP debe direccionar la MP.
* OPERACION DE ESCRITURA.
Para almacenar un byte de datos en memoria, se introduce en el bus de direcciones el código binario de la posición de la memoria donde se quiere escribir el dato. Una vez que el código de dirección está ya el bus, el decodificador de direcciones lo decodifica y selecciona la posición de memoria especifica. La memoria recibe entonces, del bus de control una orden de escritura y los datos almacenados en los registros de datos se introducen en el bus de datos y se almacenan en la dirección de memoria seleccionada. Cuando se escribe un nuevo byte de datos en una dirección de memoria se destruye el byte que estaba en esa dirección.
* OPERACION DE LECTURA.
De nuevo se introduce en el bus de direcciones el código binario de la posición de memoria de donde se quiere leer el dato. El decodificador de direcciones decodifica dicho código y selecciona la posición de memoria especificada. La memoria recibe entonces, del bus de control una orden de lectura y una copia del byte de datos, almacenado en la dirección de memoria seleccionada, se introducen en el bus de datos y se carga en el registro de datos. Cuando se lee un byte de datos en una dirección de memoria este sigue almacenado en dicha dirección.
* DIRECCIONAMIENTO.
La memoria principal de la computadora se divide en pequeñas unidades de tamaño uniforme denominadas palabras, que tienen una dirección única.
Cada una de éstas palabras es capaz de almacenar una unidad de información (como, por ejemplo, resultados numéricos), y determina el número más grande y el más pequeño que puede almacenar.
El tamaño de la palabra depende de la computadora, pero siempre se especifica en múltiplos de 8 bits. Así, existen computadoras con tamaños de palabra de 8, 16, 32 y 64 bits.
Cada palabra de la memoria principal tiene una dirección fija que va de cero hasta el número total de palabras - 1. Las direcciones de memoria sirven para identificar cada palabra individualmente, de tal manera que pueda accederse al dato contenido en ella. A fin de simplificar su comprensión, las memorias se consideran como una hilera de palabras.
EL TIEMPO DE ACCESO A MEMORIA Y SU MEDIDA EN NANOSEGUNDOS
El tiempo de acceso a una memoria ¿que es? Se considera a esto desde el momento en que la memoria recibe una petición de datos hasta el instante en que estos están disponibles para ser usados, recién hablamos de velocidades de 1,25 nanosegundos, la velocidad en nanosegundos era mas utilizada en memorias viejas por ejemplo era típico hablar de una memoria SIMM de 72 pines desde los 80 ns hasta los 50 ns, es probable que en bios para estas maquinas viejitas se encuentre con algún parámetro en ns. Al principio se media en nanosegundos luego se comenzó a hablar de MHZ ya que de esta forma se utiliza un sistema de medición igual para todos los componentes, en relación al reloj del sistema con multiplicadores o divisores para la configuración de cada dispositivo.
La memoria no solo se mide en MHZ El tiempo de acceso en la memoria, también se la puede medir en unidad de tiempo en ns, como se nombro anteriormente, por ejemplo, una memoria tipo DDR de 400 MHZ posee una velocidad de 2,5 nanosegundos; una DDR800 1,25 ns. A la inversa que como ocurre con los MHZ que como se dijo son la cantidad de ciclos por segundo y cuantos mas mejor (si es compatible) hablando de la velocidad de la memoria en nanosegundos cuanto menos mejor
EL ACCESO A LA MEMORIA PRINCIPAL
La memoria principal o primaria (MP), también llamada memoria central, es una unidad dividida en celdas que se identifican mediante una dirección. Está formada por bloques de circuitos integrados o chips capaces de almacenar, retener o "memorizar" información digital, es decir, valores binarios; a dichos bloques tiene acceso el microprocesador de la computadora.
La MP se comunica con el microprocesador mediante el bus de direcciones. El ancho de este bus determina la capacidad que posea el microprocesador para el direccionamiento de direcciones en memoria.
En algunas oportunidades suele llamarse "memoria interna" a la MP, porque a diferencia de los dispositivos de memoria secundaria, la MP no puede extraerse tan fácilmente por usuarios no técnicos.
La MP es el núcleo del sub-sistema de memoria de un computador, y posee una menor capacidad de almacenamiento que la memoria secundaria, pero una velocidad millones de veces superior.
CONCEPTO DE RAMDOM (AL AZAR)
Al azar, algo aleatorio. En informática, se puede aplicar a muchos campos, como la programación, donde se suelen utilizar con cierta frecuencia, instrucciones u órdenes para la obtención de valores aleatorios.
Realmente, aún no es posible encontrar valores totalmente aleatorios, así que se suele utilizar también el término pseudo aleatorio, para indicar que un valor no es al azar del todo.
Podemos aplicar también RANDOM a distintas formas de acceder a la información, sea en memoria, o en algún medio de almacenamiento como los discos. En este caso podemos hablar de acceso aleatorio (RANDOM) o acceso secuencial (uno detrás de otro, como las casettes de música).
DIFERENCIAS Y SIMILITUDES ENTRE LAS MEMORIAS RAM Y ROM
Dentro de las Memorias físicas en nuestro Hardware, existen dos tipos en función de lectura/escritura o solamente lectura: la Memoria RAM y la Memoria ROM, aunque se diferencien sólo con una letra (a y o), también tienen diferencias técnicas que se ampliara a continuación.
La Memoria RAM es la que todos conocemos, pues es la memoria de acceso aleatorio o directo; es decir, el tiempo de acceso a una celda de la memoria no depende de la ubicación física de la misma (se tarda el mismo tiempo en acceder a cualquier celda dentro de la memoria). Son llamadas también memorias temporales o memorias de lectura y escritura.
En este tipo particular de Memoria es posible leer y escribir a voluntad. La Memoria RAM está destinada a contener los programas cambiantes del usuario y los datos que se vayan necesitando durante la ejecución y reutilizable, y su inconveniente radica en la volatilidad al cortarse el suministro de corriente; si se pierde la alimentación eléctrica, la información presente en la memoria también se pierde.
Por este motivo, surge la necesidad de una memoria que permanentemente, guarde los archivos y programas del usuario que son necesarios para mantener el buen funcionamiento del sistema que en se ejecute en la misma.
La Memoria ROM nace por esta necesidad, con la característica principal de ser una memoria de sólo lectura, y por lo tanto, permanente que sólo permite la lectura del usuario y no puede ser rescrita.
Por esta característica, la Memoria ROM se utiliza para la gestión del proceso de arranque, el chequeo inicial del sistema, carga del sistema operativo y diversas rutinas de control de dispositivos de entrada/salida que suelen ser las tareas encargadas a los programas grabados en la Memoria ROM. Estos programas (utilidades) forman la llamada Bios del Sistema.
Entonces, en conclusión:
- La Memoria RAM puede leer/escribir sobre sí misma por lo que, es la memoria que utilizamos para los programas y aplicaciones que utilizamos día a día
- La Memoria ROM como caso contrario, sólo puede leer y es la memoria que se usa para el Bios del Sistema.
SIGNIFICADO DE CAPACIDAD DE MEMORIA Y SUS UNIDADES
La maquina para poder representar los impulsos eléctricos que procesa el CPU utiliza el Bit, llamado también, dígito binario. Este es una unidad de información la mas pequeña dentro de una maquina. Puede tomar dos valores el 1 y el 0.
También se dice que el Bit es una unidad de medida de la capacidad de memoria de un ordenador.
Una cadena de Bit representa gran cantidad de información. Para entender esta cantidad de información el hombre creo el código de computadora. El cual era un código decimal codificado en binario. Primero creo el código de cuatro Bit, con este código solo se podía realizar 16 combinaciones posibles. Luego creo el código de seis Bit (contaba con un Bit de control o paridad), con el cual se podía realizar 64 combinaciones posibles. Hasta que finalmente creo el código de ocho Bit, denominado también código ASCII. Con este código se puede realizar 256 combinaciones. Al igual que el código de seis Bit, el código ASCII cuenta con un Bit de paridad (utilizado para el control).
Entonces:
8 Bits =1 Byte
La capacidad (de almacenamiento) de una memoria es la cantidad total de bytes que puede guardar.
En el presente, lo común es que cada celda se guarde un byte de información. Entonces una memoria con N celdas tendrá una capacidad de N bytes
Las unidades de memoria que podemos encontrar dentro de una maquina pueden ser:
1KB-----2¹º Bytes =1024 Bytes
1MB-----2²º Bytes =1048576 Bytes
1GB-----2³º Bytes =1073741824 Bytes
1 TB-----2²º x 2²º Bytes = 1099511627776 Bytes
¿QUE ES EL BIT DE PARIDAD EN MP, Y PARA QUE SE EMPLEA?
Supongamos que el contenido de una posición de memoria leída es 01000001, pero por que por un ruido (interferencia electromagnética) durante la operación de lectura, la UCP recibe 01000011, o se que el bit marcado se recibe invertido. Entonces la combinación recibida será otra, sin que se pueda notar el error. Como se verificara, ampliando la capacidad de una memoria de forma que cada posición contenga un bit extra (o sea 9 bits), puede detectarse si se ha producido un solo error por inversión, como el ejemplificado.
El bit denominado de “paridad”, que se agrega al bit a almacenar, debe ser siempre de valor tal que el conjunto de los 9 bits almacenados tenga un número par de unos (paridad par de unos).
En el número en el que se escribe cualquier posición de memoria un circuito calcula el valor (0 o 1) que debe tener dicho bit; y cuando se lee cualquier posición, el mismo circuito verifica que los 9 bits leídos presenten paridad par de unos. Caso contrario se interrumpe el programa en curso para avisar que hay un problema de error de paridad en la memoria.
En una memoria con paridad, cuando por ejemplo se escribe la combinación 01000001 antes citada, dicho circuitote agregara un bit de valor 0 (en negrita): 0100000101 . Así el nuevo conjunto de 9 bit almacenados presentara un numero par de unos.
De esta forma, si durante la lectura en lugar de leerse 010000010, se lee 010000110 por que el bit subrayado se invirtió, se detectara un error, dado que estos 9 bit tendrán un numero impar de unos, en lugar de se par. Por lo tanto, esta convenció-de igual paridad en la escritura y lectura si uno solo de los bits recibidos cambio de valor, que es la mayor probabilidad de errores en una lectura de memoria.
Si los bits errados son dos, la paridad par seguirá, y no hay forma de detectar una combinación mal recibida.
¿QUE ES UN MICROPROCESADOR DE 8, 16 O 32 BITS Y QUE RELACION TIENE ESTO CON LOS REGISTROS, MP Y LAS LINEAS DE DATOS DEL BUS?
Anteriormente se distinguía entre procesadores de 8, 16, 32 bits-según sea-para implicar el número máximo de bits que puede tener un dato a operar por la UAL dos números de 32 bits. Lo mismo ocurre con la mayoría de los microprocesadores de distintos fabricantes, por lo que el numero 8, 16, o 32 que caracterizaba la potencia y por ende la velocidad de procesamiento de un procesador, ha dejado de usarse como distintivo de potencia.
Una UAL de 32 bits puede operar con número del doble de magnitud que otra de 16 bits. Asimismo, si los registros para datos y resultados son de 32 bits a los efectos de una mayor velocidad da transferencia entre la UCP y memoria, deben existir por lo menos 32 líneas de datos en el bus. De esta forma, de una sola vez se transfieren 32 bits entre memoria y UCP o viceversa. Esto también implica que la memoria debe estar organizada para que en un solo acceso puedan leerse o escribirse 32 bits (4 bytes consecutivos), dando solo la dirección del primero.
En consecuencia con ello, los registros de la UCP para datos o resultados deben tener una longitud igual al tamaño de los datos que opera la UAL.
Pro ejemplo, el Pentium 11 es un procesador de 32 bits2, con una longitud de palabra de 32 bits. O sea que en cada acceso a MP puede leer/escribir 8 bytes consecutivos, para una longitud de palabra de 64 bits. A tal efecto, este microprocesador tiene 64 patas destinadas a conectarse a 64 líneas de datos que forman parte del bus (“local bus”) que lo conecta con el cache externo y con la MP.
Por lo tanto, su bien la UAL del Pentium opera con 32 bits (y con 64 bits su coprocesador matemático incorporado), pueden llegar al mismo dato o instrucciones de 64 bits por vez3, lo cual acelera el procesamiento de los datos.
También son procesadores de 32 bits el 386 y el 486, pero operan la MP con palabras de 32 bits4.
Se comprende que un procesador de mayor número de bits sea mas rápido que otro que opere con menos, pues en una sola instrucción puede manipular más bits cada uno, primero mediante varias instrucciones debe sumar los primeros 16 bits de ambos números, y luego mediante otras tantas instrucciones suman los 16 bits restantes.
¿QUE RELACION EXISTE ENTRE LA CAPACIDAD DE LA MEMORIA, LA CANTIDAD DE BITS QUE TIENE SUS DIRECCIONES Y EL NUMERO DE LINEAS DE DIRECCION?
Es un número que guarda un byte por posiciones como bytes tenga la memoria. Esto es, una memoria de 2MB implica que se deben identificar 2097152 posiciones distintas, asignándole un numero binario distinto para cada una, que su dirección. Se acostumbra a asignar el cero a la primer posición, por lo cual la ultima seria en decimal el numero 2097151.
Una memoria tiene un numero de N celdas que siempre es una potencia de dos, por lo cual las mismas se localizan mediante direcciones que son números binarios que van de 000….000 hasta 111….111, siendo que cada celda le corresponde uno de esos números como dirección.
La potencia de dos de la figura 1.14 sirven para determinar cuantos bits deben tener los números binarios que son las direcciones de una memoria, de forma de adjuntar un número distinto a cada posición. Resulta que con 4 bits se pueden formar 16 = 24 combinaciones binarios (o sea números binarios) distintas. Inversamente, si se quiere formar 16 números binarios distintos hacen falta 4 bits. Del mismo modo, por ejemplo, dado que 2 MB = 221, resulta que el exponente 21 indica la cantidad de bits que debe tener cada dirección, para formar 2.097.152 de direcciones de distintas, como se necesita. Por ejemplo, una dirección de 21 bits seria 0 1001 01111 1001 1010 1110 = 0979AE en hexa, según lo visto. La primer dirección de memoria seria un numero binario con 21 ceros = 0 0000 0000 0000 0000 0000 = 0000 en hexa; y la ultima otro de 21 unos = 1 1111 1111 1111 1111 1111 = 1FFFFF en hexa.
De la tabla resulta que al subir uno el exponente del numero dos, se duplica la cantidad de memoria. O sea, si una memoria tiene el doble de capacidad que otra, los números que forman las direcciones de la primera deben tener un bit mas que los números que forman las direcciones de la segunda.
Si se quiere operar mentalmente, se debe tener presente que 210 = 1KB, y que 220 = 210 x 210 = 1KB x 1KB = 1024 x 1024 = 1MB.
A fin de calcular cuantos bits tienen las direcciones de una memoria de 8 MB, partiendo de 1MB necesita 20, que 2MB necesitan 21, que 4MB necesitan 22, resulta que 8 MB necesitan 23 bits. Puesto que por cada línea de dirección como cantidad de bits tenga cada dirección.
Daniel Martinez, Matias Fiori, Gerardo Zamer (2 "B")
