Fundamentos de la Programación y Arquitectura de Computadoras

Algoritmos: La Base de la Programación

Un algoritmo es un conjunto ordenado y finito de instrucciones que permite realizar una actividad mediante pasos sucesivos. El proceso típico es:

1. Planteamiento del Problema
2. Desarrollo del Algoritmo
3. Ejecución del Algoritmo
4. Obtención del Resultado

Lenguajes de Programación: Comunicación con la Máquina

Los lenguajes de programación permiten a los humanos comunicarse con las computadoras. Existen diferentes niveles:

• Lenguaje Máquina: Conjunto de reglas y símbolos específicos del procesador, utilizando un sistema binario (0 y 1). Directamente ejecutable, pero dependiente del hardware y vulnerable a malware.
• Lenguaje Ensamblador: Utiliza palabras mnemotécnicas que representan instrucciones del lenguaje máquina, facilitando la programación.
• Lenguaje de Alto Nivel: Independiente del procesador. Se escribe en un editor de texto y requiere un compilador o un intérprete para su traducción.

Compiladores e Intérpretes

• Compilador: Traduce todo el código fuente a código máquina, generando un programa ejecutable. Proceso: 1) Análisis, 2) Síntesis.
• Intérprete: Traduce y ejecuta el código línea por línea. Más lento, pero más flexible.
• Bytecode: Código intermedio (similar al lenguaje ensamblador) que se traduce a binario en la CPU.
• Máquina Virtual: Realiza el paso final de la traducción del bytecode.

Ventajas de la Máquina Virtual (Intérprete de M. Virtual) frente al intérprete puro: Mayor portabilidad, rapidez y estabilidad.

Estructura Interna de un Ordenador

Flujo de Traducción de Lenguajes

El proceso de traducción desde un lenguaje de alto nivel hasta el hardware sigue estos pasos:

1. Lenguaje de Alto Nivel (Compilador/Intérprete) → Lenguaje Ensamblador (Ensamblador)
2. Sistema Operativo (Programa que interpreta instrucciones y gestiona recursos)
3. Conjunto de Instrucciones (Describe cómo es el procesador)
4. Microarquitectura (Describe cómo están conectados los componentes internos – microinstrucciones)
5. Lógica Digital (Hardware)

Bloques Funcionales y Buses

Los componentes de un ordenador se interconectan mediante buses:

• Bus de Datos: Transmite datos.
• Bus de Direcciones: Indica el destino de los datos.
• Bus de Control: Controla el acceso y uso de los buses de datos y direcciones.

Tipos de Memoria

• Memoria: Almacena los programas durante su ejecución.
• RAM (Random Access Memory): Permite leer y escribir datos. Tipos:
  • SRAM (Static RAM): Mantiene el contenido mientras tenga alimentación. Más rápida y cara.
  • DRAM (Dynamic RAM): Necesita un circuito de refresco. Más lenta, pero con mayor capacidad.
• ROM (Read-Only Memory): Solo lectura. Los programas se mantienen incluso sin conexión. Tipos:
  • PROM (Programmable ROM): Programable una sola vez.
  • EPROM (Erasable PROM): Se puede borrar y reprogramar.
  • EEPROM (Electrically EPROM): No requiere un dispositivo especial para borrarse.
• Memoria Flash: Permite lectura y escritura por bloques. Ejemplo: USB.
• Memoria Secundaria: Almacenamiento permanente (CD, DVD, etc.).
• Caché: Memoria SRAM de alta velocidad y poca capacidad que guarda copias temporales de datos.

Funcionamiento de la Memoria Caché

La CPU transfiere bloques de datos a la caché. Si las lecturas siguientes corresponden a datos de ese bloque, se utiliza la caché (más rápida). Los accesos son predecibles gracias a:

• Localidad Temporal: Datos recientemente usados.
• Localidad Espacial: Datos en zonas cercanas de memoria.

Estrategias de diseño de la caché:

• Política de Extracción: Qué bloque subir del nivel inferior.
• Política de Ubicación: Dónde colocar el bloque (directa, asociativa, asociativa por conjuntos).
• Política de Reemplazo: Qué bloque abandonar.
• Política de Escritura: Cuándo actualizar la información.

Arquitectura Harvard

Utiliza dispositivos de memoria separados para instrucciones y datos. Memoria: PROM y SRAM.

Unidad Central de Proceso (CPU)

Ejecuta los programas almacenados en la memoria principal. Busca instrucciones y las ejecuta secuencialmente.

Líneas del bus de control:

• Reloj
• Línea de control
• Interrupciones
• Línea de arbitraje de bus
• Líneas de estado

Componentes de la CPU

• Unidad de Control (CU): Detecta señales y capta instrucciones.
• Registros: Almacenan resultados temporales e información de control.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones.
• Buses: Internos (conectan componentes de la CPU) y externos (conectan otros dispositivos).

Dispositivos de Entrada/Salida (E/S)

Permiten la entrada (ej: altavoz) y salida (ej: ratón) de información.

Partes:

• Controlador
• Dispositivo
• Interfaz de conexión

Funciones:

• Control y temporización de la información.
• Comunicación con la CPU.
• Almacenamiento temporal de datos (buffer): Sincroniza las velocidades de la CPU y los dispositivos.
• Detección y corrección de errores.

Ejecución de Instrucciones

Ciclo de instrucción:

1. Captar (Fetch)
2. Decodificar
3. Ejecutar

Componentes de una instrucción:

• Opcode: Indica la operación a realizar.
• Address: Especifica los operandos.

Tipos de Arquitecturas de CPU

• Arquitectura de Pila: Último en entrar, primero en salir (LIFO). Registro especial (TOS) indica la posición.
• Arquitectura con Acumulador: Un registro especial (acumulador) es siempre uno de los operandos.
• Arquitectura GPR Registro-Memoria: Un operando en memoria, otro en un registro.
• Arquitectura GPR Registro-Registro: Todos los operandos (incluido el resultado) son registros.

Jerarquía de Memoria

(Más rápida y menos capacidad) → (Más capacidad y menos rápida):

CPU → Caché → RAM → Disco Duro → (Almacenamiento en red, Disco duro extraíble, etc.)

Interrupciones

Alteración forzada del flujo de instrucciones de un programa en respuesta a un cambio de estado (ej: entrada/salida de datos). El controlador de E/S (DMA) gestiona la transferencia de datos, liberando a la CPU.

1. La CPU envía una solicitud al DMA.
2. El DMA gestiona la transferencia y, al finalizar, envía una señal de interrupción a la CPU.

Sistemas Operativos (SO)

Funciones principales:

• Gestionar el hardware.
• Proporcionar a las aplicaciones servicios para manipular los dispositivos hardware.

Memoria Virtual

Abstracción de la memoria principal y de los dispositivos de E/S. Permite:

• Usar la memoria principal como caché.
• Simplificar la gestión de memoria.
• Proteger las direcciones de memoria.

Ficheros

Abstracción de los dispositivos de E/S y la memoria principal. Secuencia de bytes. Ventajas:

• Portabilidad
• Seguridad
• Sencillez

Procesos

Abstracción de E/S, memoria principal y CPU. Ejecución secuencial de instrucciones. Existe multitarea (varios procesos a la vez) y multinúcleo (varios procesadores).

Las instrucciones del programa están determinadas por:

• El estado de la CPU.
• Variables en memoria.
• Recursos utilizados por el proceso.

El planificador (scheduler) decide cuándo cambiar de contexto y cuál de los procesos en espera se ejecuta.