Componentes y Evolución de los Sistemas Informáticos

1. Sistemas Informáticos: Estructura Funcional

Hardware es el conjunto de elementos electrónicos cuyo objetivo es realizar la función para la que han sido fabricados, de la manera más eficiente y rápida.

Software son las órdenes, programas e instrucciones que hacen que los componentes físicos (hardware) realicen las tareas que se precisen.

¿Qué es un programa? Un programa es una serie de órdenes o instrucciones ordenadas con una finalidad concreta que realizan una función determinada.

¿Qué es una aplicación informática? Son uno o varios programas que permiten al usuario realizar una tarea concreta. En el caso de que sean varios programas, se denomina «suite» o paquete integral. A diferencia del sistema operativo (que también es software), una aplicación no está en contacto con el hardware, sino que está en contacto con el usuario.

¿Qué es un sistema operativo? Es el software que permite que las aplicaciones funcionen en un hardware determinado. Es el nexo de unión entre un programa de usuario y el hardware. Destacan sistemas operativos propietarios de Microsoft y el software libre como es GNU/Linux.

¿Qué es el «firmware»? Es el software que contiene el hardware. Muchos componentes electrónicos, teléfonos móviles, reproductores de DVD, etc., tienen un software específico que permite que el hardware funcione correctamente. Normalmente, este firmware se puede actualizar.

¿Qué es un sistema informático? Son todos los elementos necesarios para procesar la información y realizar una función determinada. Los elementos físicos son el hardware, y para procesar la información necesitaremos el software, que son los sistemas operativos y programas. El sistema informático está constituido por: personas, software y hardware.

1.1. Evolución Histórica de los Sistemas Informáticos

Primera generación (1940-1956): Comprenden los primeros ordenadores basados en la arquitectura Von Neumann. Surge como instrumento armamentístico durante la Segunda Guerra Mundial. Características: Tecnología basada en válvulas de vacío. Empleo con fines militares. Máquinas muy grandes, pesadas y «lentas». Algunos programas requerían días de espera.

Segunda generación (1956-1963): Aparece el transistor, su función es similar a la de las válvulas de vacío, pero con un tamaño mucho menor. Características: Tecnología basada en transistores. Aplicación mayor al campo científico, pero surgen computadoras con fines comerciales. Empleo de los primeros periféricos. Aparece el concepto de superordenador. Aparecen los primeros lenguajes de programación y los sistemas batch.

Tercera generación (1964-1971): Aparecen los circuitos integrados. Se trata de integrar en un solo chip todos los transistores y circuitos analógicos que realizan las operaciones básicas de un ordenador. Características: Aparecen nuevos soportes de almacenamiento e interacción. Nuevas técnicas y lenguajes de programación. Aparece el concepto de miniordenador. Se emplean por primera vez los lenguajes de programación de propósito general.

Cuarta generación (1971-1981): Se populariza el microordenador y la computadora personal. La tecnología permite integrar más circuitos en una sola pastilla, reduciendo así el espacio y el consumo, haciendo asequible el ordenador a cualquier persona. Características: Aparece el microprocesador. Proliferan los lenguajes de programación. Muchas familias empezaron a tener computadoras en sus casas.

Quinta generación (1982-1991): El microprocesador sigue evolucionando, reduciendo su tamaño y permitiendo muchas más operaciones y funcionalidades. Características: Aparecen los microprocesadores de uso específico. Evolución muy rápida de la tecnología, lo que se llamó la ley de Moore. Desarrollo y expansión de la tecnología multimedia. Apple inventó la arquitectura abierta, que permitirá añadir, modernizar y cambiar sus componentes y la interfaz gráfica de usuario. Las computadoras se hicieron más accesibles y se empezaron a utilizar en más diversos ámbitos. Aparecen microprocesadores trabajando en paralelo.

1.2. Estructura Funcional de un Sistema Informático

La CPU está formada, desde el punto de vista físico, por el procesador y la memoria RAM.

El procesador se encarga de procesar la información que recibe de los periféricos de entrada y, para ello, necesita de la memoria principal donde se guardan los programas y toda la información relativa a los mismos. A mayor RAM, el ordenador va más rápido. El procesador puede dividirse a su vez en: Unidad de control: Es el cerebro de la computadora. Su función es la de leer instrucciones almacenadas en la memoria principal y generar señales de control necesarias para que la máquina funcione y ejecute las instrucciones leídas. Para saber cuál es la siguiente instrucción a ejecutar, utiliza un registro denominado contador de programa. Unidad aritmético-lógica: Se encarga de realizar acciones aritméticas y lógicas. Para ello utiliza diversos registros, como el registro acumulador (AC) o el registro de estado (RE).

Fases de una instrucción:

Carga, búsqueda o lectura (Fase Fetch): La unidad de control envía a la memoria principal la dirección de la instrucción a ejecutar que se encuentra almacenada en el contador de programa y activa las señales de control necesarias para que esta le entregue la mencionada instrucción.
Decodificación: La unidad de control recibe la instrucción, la analiza y, en su caso, lee los operandos de la memoria principal, enviando su dirección y activando las correspondientes señales de control.
Ejecución: La ALU, bajo las órdenes de la unidad de control, realiza la operación sobre los operadores y, si es necesario, graba la información en memoria principal o en un registro.
Incremento de contador de programa (PT): También denominado puntero de instrucción (IP), con lo que se pasa a interpretar la siguiente instrucción.

Memoria caché es un tipo de memoria intermedia entre el procesador y la memoria RAM.

Se utiliza para mantener la información más usada por el procesador, evitando accesos continuos y lentos a la memoria RAM. Actualmente viene integrada en el chip del procesador.

Tipos de memoria caché:

Caché de 1.^er nivel o L1: Está integrada en el núcleo del procesador y trabaja a la misma velocidad que este. Su tamaño varía de un procesador a otro y suele estar dividida en dos partes, una dedicada para instrucciones y otra para datos. Aparecen como L1D y L1I.
Caché de 2.º nivel o L2: Integrada en el procesador, pero no directamente en el núcleo. Tiene las mismas ventajas que la L1, pero con una menor velocidad y un mayor tamaño. No está dividida y suele utilizarse para instrucciones del sistema.
Caché de 3.^er nivel o L3: Se encuentra más alejada de los núcleos del chip y es compartida por todos ellos; es de un tamaño mayor y más lenta.

La memoria RAM: Es una memoria de acceso aleatorio y, para que un programa se ejecute, este debe encontrarse en la memoria RAM, donde se ubican los datos y las instrucciones que hay que ejecutar. Está formada por unas celdillas biestables que almacenan información en formato binario (0 y 1); esta información recibe el nombre de bit. Las celdas almacenan o no energía. La presencia de energía se traduce como un 1 lógico y la ausencia como un 0 lógico.

8 celdas = 8 bits = 1 byte 1 Mb = 1024 Kbytes

1 kb = 1024 bytes 1 Gb = 1024 Mbytes

Cuando se ejecuta un programa, como un procesador de textos, el procesador recupera el programa de la memoria secundaria, lo ubica en la memoria RAM y lo ejecuta.

Tipos de memoria RAM:

DRAM: Tiene una gran capacidad de almacenamiento y, para que no se pierda la información, se refresca por ciclo de reloj.
SRAM: Es estática; esta memoria no necesita refresco, es más rápida, pero más cara.
SDRAM: Está sincronizada con el reloj de la CPU. Tiene una gran capacidad y es muy veloz, pero esta también tiene que refrescarse.
DDRAM: La ventaja de estas memorias es que puede enviar información simultáneamente por dos canales distintos en cada ciclo de reloj. La complejidad de esta memoria es mayor, pero la velocidad es el doble que la SDRAM. Son la memoria que se utilizan en los equipos.

MEMORIA ROM: Es la memoria de solo lectura que no puede ser escrita. Normalmente se utiliza para albergar la BIOS. La BIOS son un conjunto de rutinas o programas que se utilizan para trabajar sobre el hardware a muy bajo nivel. La BIOS está situada en un chip que se aloja en la placa base. La ROM ha ido evolucionando con el paso del tiempo y, después de esta, apareció la PROM, que se puede programar una vez, cosa que no ocurre con la ROM, que viene programada de fábrica. La siguiente en la evolución es la EEPROM, que se puede borrar y reescribir.

Memoria Secundaria o Auxiliar:

La información guardada en este tipo de memoria permanece invariable hasta que sea modificada o eliminada por el usuario. Estos dispositivos tienen mucha más capacidad que las memorias internas. Pero no podemos ejecutar programas desde esta memoria. Es necesario pasar el programa completo o una parte de este a memoria RAM para su ejecución.

Tipos:

Según la tecnología:

Tecnología magnética: Se emplea sustrato de plástico o aluminio cubierto de material magnético; la información se graba en celdas que forman líneas o pistas. La celda podrá estar o no magnetizada, dando los valores de 1 o 0.
Tecnología óptica: Usa energía lumínica para almacenar o leer información; los 0 y los 1 se representan por la presencia o ausencia de señal luminosa.
Tecnología magneto-óptica: Los soportes originarios poseen una magnetización previa y, mediante láser, es posible cambiar la magnetización de las celdas.
Flash USB: Se usan memorias semiconductoras de tipo flash, con la característica de que no necesitan refresco.

Según la forma de acceder a la información:

Secuencial: Para acceder a la información de la memoria, hay que pasar antes por los previos (cinta de casete).
Directo: Accede directamente a la posición de memoria sin pasar por los anteriores (CD-ROM, disco duro, vinilo…).

Según su ubicación física: la interna o disco duro o la externa o USB.

Periféricos:

Son todos los componentes electrónicos que interactúan con la CPU (impresoras, ratones, pantalla, disco duro…). Los periféricos se conectan a los equipos informáticos a través de puertos, y es la unidad de entrada/salida, situada en la placa base, la que se encarga de la gestión de los mismos. La unidad de entrada/salida son un conjunto de módulos o canales encargados de gobernar uno o más periféricos. Estos módulos están formados por:

Controladores de periféricos: Es el controlador utilizado para comunicarse con la CPU.
Puertos de entrada/salida: Son registros que se conectan directamente a uno de los buses del ordenador. Sus funciones son fundamentalmente direccionamiento, transferencia y sincronización.

Arquitecturas de ordenador según el direccionamiento de los dispositivos de entrada y salida:

Buses separados de memoria y entrada a salida.
En este caso, la entrada y salida está mapeada en memoria como un bus único y los puertos de entrada/salida se tratan como direcciones de memoria.

Según cómo se establece el control del tránsito de datos:

Entrada/salida controlada por programa: Mediante la ejecución de unas instrucciones especiales si el bus es separado o instrucciones de almacenamiento si es entrada/salida. Esto se usa con periféricos con velocidades menores que la CPU.
Entrada/salida por acceso directo a memoria (DMA): Permite que ciertos componentes accedan a la memoria del sistema para leer o escribir independientemente de la CPU. Muchos periféricos utilizan esta tecnología. Por ejemplo, los controladores de disco, las tarjetas gráficas, las de sonido…

Según el modo en el que se produce la sincronización entre la CPU con los periféricos:

Entrada y salida con sincronización por sondeo y selección: La CPU hace una consulta a los dispositivos sobre su situación y los va atendiendo.
Entrada y salida por sincronización por interrupciones: Los dispositivos son los que interrumpen la ejecución del programa en CPU cuando están en disposición de realizar una operación de entrada y salida.

Los drivers: Los periféricos necesitan de algún tipo de software que permita al sistema operativo trabajar con él; esto es así porque cada dispositivo funciona de una manera determinada y el sistema operativo no tiene por qué saber su funcionamiento. Sin los drivers no se puede establecer una comunicación efectiva entre el sistema informático y el dispositivo.