Fundamentos
de hardware y software
La simple
verdad es que las computadoras realizan solo cuatro funciones básicas:
·
Recibir una entrada:
Aceptan información del mundo exterior.
· Procesar información:
Realizar operaciones aritméticas o lógicas (toma de decisiones) sobre la
información.
·
Producir una salida:
Comunican información al mundo exterior.
·
Almacenar
información: Desplazan y mueven información en la
memoria.
Cada sistema
de computadora contiene componentes hardware (partes físicas) especializadas en
cada una de estas cuatro funciones:
Dispositivos
de entrada: aceptan una entrada del mundo exterior.
Los dispositivos más comunes de entrada hoy día, desde luego, son los teclados
y los dispositivos para señalar, como el ratón.
Dispositivos
de salida: envían información al mundo exterior.
Todas las computadoras utilizan una pantalla o
un monitor de video como dispositivo principal de salida, una impresora para
producir papeles impresos y altavoces para dar salida a los sonidos.
Un
microprocesador, también llamado procesador o unidad
central de procesamiento (CPU) es en efecto el cerebro de la computadora. La
CPU procesa información, realiza cálculos aritméticos y toma decisiones básicas
comparando valores de información.
La memoria y
los dispositivos de almacenaje: almacenan
ambos información, pero sirven a diferentes propósitos. La memoria de la computadora o RAM se utiliza para almacenar
programas y datos que necesitan ser instantáneamente accesibles para la CPU. Los dispositivos de almacenamiento,
incluyendo las unidades de disco duro, CD grabables, unidades de DVD sirven
como repositorios de datos. Un dispositivo de almacenamiento (por ejemplo un
disco duro), puede considerarse como un dispositivo combinado de entrada y
salida, porque la computadora envía información al dispositivo de
almacenamiento (salida) y más tarde recupera esa información de allí (entrada).
Una
computadora consta de dos partes bien diferenciadas, hardware y software. El
hardware consta de las partes físicas, tangibles de la computadora. Es software
consta de programas, también llamados aplicaciones, que contienen instrucciones
que la computadora ejecuta o corre. Una computadora necesita tanto del hardware
como del software para poder ser usada real y prácticamente.
Hardware
Cuando un
usuario interactúa con una computadora, proporciona una entrada; en respuesta,
la computadora procesa la entrada devolviendo una salida valiosa al usuario. La
entrada puede ser en formato de órdenes o instrucciones dadas, texto, números o
imágenes escaneadas. La salida puede ser el resultado: cálculos en una hoja de
cálculo, una carta impresa en una impresora o un auto moviéndose por la
pantalla en un juego de carreras de autos. Una computadora necesita disponer de
un conjunto de funcionalidades y proporcionar la capacidad de:
1.
Aceptar la entrada
2.
Visualizar o
presentar la salida
3.
Almacenar la
información en un formato consistente lógicamente.
4. Ejecutar operaciones
aritméticas o lógicas bien sobre datos de entrada o bien sobre datos de salida.
5. Monitorizar,
controlar y dirigir las operaciones globales y de secuencia del sistema.
Dispositivos
de entrada/Salida (E/S)
Para que el
usuario pueda introducir la entrada, la computadora tiene varios dispositivos
de entrada como parte de su hardware: el teclado y el ratón son los más
populares. La salida al usuario se le proporciona mediante dispositivos de
salida, tales como impresora o pantalla.
Los
dispositivos de Entrada/Salida (E/S) permiten la comunicación entre la
computadora y el usuario. Los dispositivos de entrada, como su
nombre indica, sirven para introducir datos (información) en la computadora
para su proceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se
almacenan en la memoria central o interna. Los dispositivos de entrada
convierten la información de entrada en señales eléctricas que se almacenan en
la memoria central.
Los
dispositivos de salida permiten representar
los resultados (salida) del proceso de los datos. El dispositivo de salida
típico es la pantalla o monitor.
El teclado y
la pantalla constituyen, en muchas ocasiones un único dispositivo denominado
Terminal. Un teclado de Terminal es similar al teclado de una maquina de
escribir con la diferencia de algunas teclas extras que tiene el Terminal para
funciones especiales.
El
procesador
El procesador
es el dispositivo interior de la computadora que ejecuta las instrucciones del
programa. Otros términos sinónimos utilizados para nombrar al procesador son: UCP
(Unidad Central de Proceso, en ingles CPU, Central Proscessing Unit) o
chip. El procesador solo puede ejecutar instrucciones simples, tales como cálculos
aritméticos sencillos o desplazamientos de números por diferentes posiciones.
Sin embargo, la velocidad a la cual se realizan estos cálculos debe ser muy
grande y esta característica le permite ejecutar instrucciones que realizan
cálculos complejos.
La CPU, a
menudo llamada solo procesador, realiza las transformaciones de entrada en
salida. Cada computadora tiene al menos una CPU para interpretar y ejecutar las
instrucciones de cada programa, para hacer las manipulaciones aritméticas y
lógicas de datos, y para comunicarse con las otras partes del sistema
indirectamente a través de la memoria.
La CPU
contiene circuitería para realizar una variedad de tareas sencillas llamadas
instrucciones. Una instrucción individual solo realiza una pequeña cantidad de
trabajo. Una instrucción típica podría ser “leer los contenidos de la ubicación
X
de la memoria y añadir el numero Y a ella”. La mayoría de las CPU
tiene un vocabulario de menos de 1000 instrucciones distintas.
Todos los
programas informáticos están compuestos de instrucciones extraídas de este
pequeño vocabulario. Un programa típico está compuesto de millones de
instrucciones, y la CPU puede procesar millones de instrucciones por segundo.
Le ejecución de instrucciones, rápida como el fuego, crea la ilusión de
movimiento, del mismo modo que una película simula el movimiento a partir de
una secuencia de fotos fijas.
La CPU típica
está dividida en varias unidades funcionales: control, cálculo o aritmética,
decodificación, bus y pre búsqueda. Estas unidades funcionan juntas
como operarios en una línea de ensamblaje para completar la ejecución de las
instrucciones del programa.
En la mayoría
de los casos la ejecución de instrucciones es realizada por la unidad
aritmético-lógica (UAL) de la CPU. La UAL incluye registros, cada uno
de los cuales tiene generalmente un tamaño de 32 o 64 bits.
Las
instrucciones del programa se guardan en el almacén primario (memoria), que
esta generalmente en los chips exteriores de la CPU. La primera tarea de la CPU
es leer una instrucción de la memoria. La unidad de bus manipula toda la
comunicación entre la CPU y el almacenamiento principal.
La unidad de
pre búsqueda indica
a la unidad de bus que lea la instrucción almacenada en una dirección
particular de la memoria. Esta unidad toma no solo la próxima instrucción a
ejecutar, sino también varias instrucciones siguientes, para asegurarse de que
una instrucción este siempre lista para ejecutarse.
La unidad de
decodificación toma la instrucción leída por la unidad
de pre búsqueda y la traduce a un formato apropiado para el procesador interno
de la CPU. Esto lo hace siguiendo los pasos requeridos para completar una
instrucción en la unidad de control.
Si una
instrucción requiere que la información se envíe fuera de la CPU entonces la
fase final de ejecución es la de contestar, en la que la unidad de bus escribe
los resultados de la instrucción de nuevo en la memoria o en algún otro
dispositivo.
La
memoria central (interna)
Otra parte muy
importante de una computadora es la memoria. La unidad memoria almacena la
información en un formato lógicamente consistente. Normalmente, tanto las
instrucciones como los datos se almacenan en memoria, con frecuencia en áreas
distintas y separadas. La memoria se divide en dos categorías: memoria
principal y memoria auxiliar. La memoria principal (central) contiene el
programa en ejecución y los resultados de los cálculos intermedios de la
computadora. Se conoce normalmente como memoria RAM. La memoria auxiliar o
almacenamiento secundario consta de dispositivos utilizados para almacenar los
datos de modo permanente. Cuando se necesitan los datos se pueden recuperar de
estos dispositivos. El programa se almacena en memoria externa de modo permanente
pero cuando se ha de ejecutar debe transferirse a la memoria central .Este
proceso se realiza mediante órdenes al sistema operativo que realiza las
operaciones correspondientes.
Con el propósito
de almacenar datos, una computadora consta de una gran colección de pequeños
circuitos electrónicos capaces de almacenar un bit. Estos circuitos son como
pequeños interruptores de luz que puedan estar en dos estados: uno para “encendido”
y otro para “apagado”.
Un bit es un
circuito o un digito que puede tener exactamente dos valores: cero y uno (0 y
1).
La memoria
central o simplemente memoria se utiliza para
almacenar información. Se divide a su vez en memoria RAM y memoria ROM.
La memoria RAM es normalmente volátil, lo que significa que todo cuanto se
almacena o guarda en ella se pierde cuando se apaga la computadora. En general,
la información almacenada en memoria puede ser de dos tipos: las instrucciones
de un programa y los datos con los que operan las instrucciones. Por ejemplo
para que un programa se pueda ejecutar (correr o funcionar) debe ser situado en
la memoria central, en una operación denominada carga (load) del programa.
Después, cuando se ejecuta el programa, cualquier dato a procesar por el
programa se debe llevar a la memoria mediante las instrucciones del programa.
En la memoria central hay también datos
diversos y espacios de almacenamiento temporal que necesita el programa cuando
se ejecuta con el fin de poder funcionar. Los programas y datos se almacenan en
RAM mientras se esta utilizando la computadora. La memoria RAM puede ser estática
o dinámica
según sea el proceso de fabricación.
Con el
objetivo de que el procesador pueda obtener los datos de la memoria central más
rápidamente, la mayoría de los procesadores actuales utilizan con frecuencia
una memoria denominada cache, que sirve para almacenamiento
intermedio de datos entre el procesador y la memoria principal. La memoria
cache se incorpora casi siempre al procesador.
La memoria
central de una computadora es una zona de almacenamiento organizada en
centenares o millares de unidades de almacenamiento individual o celdas. La
memoria central consta de un conjunto de celdas de memoria (estas celdas o
posiciones de memoria se denominan también palabras). El número de celdas de
memoria de la memoria central, depende del tipo y modelo de computadora; hoy el
numero suele ser millones. Cada celda de memoria consta de un cierto número de
bits.
La unidad
elemental de memoria se llama byte (octeto). Un byte tiene la capacidad de
almacenar un carácter de información y esta formado por un conjunto de unidades
más pequeñas de almacenamiento denominadas
bits, que son dígitos binarios (0 o 1).
La memoria ROM
(memoria de solo lectura) contiene instrucciones fundamentales que no se pueden
modificar o perder de modo accidental por el usuario. Estas memoria incluyen
aquellas instrucciones que son necesarias para cargar inicialmente al software
cuando se enciende la maquina y cualesquiera
otras instrucciones que el fabricante requiere para estar accesible
desde un modo personal cuando el computador esta funcionado. La ROM es no volátil, su
contenido no se pierde cuando se apaga la computadora. Al ser esta memoria de
solo lectura, los programas almacenados en los chips ROM no se pueden modificar
y suelen utilizarse para almacenar los programas del sistema que sirven para
arrancar la computadora.
Los chips de
memoria están generalmente agrupados en pequeños paneles de circuitos llamados SIMM
(módulos sencillos de memoria en línea) y DIMM (módulos duales de memoria en
línea), y conectados a la placa madre.
Los bytes de
memoria tienen direcciones únicas que los identifican y ayudaran a la CPU a
mantener el registro de donde se almacenan las cosas.
La CPU solo
puede mirar en la memoria de acceso. Las direcciones de la memoria constituyen
todo el universo de la CPU, así que cualquier programa que necesita ejecutarse
o los datos que deben modificarse deben colocarse en la memoria.
Cuando
enciende la computadora, la CPU empieza automáticamente a ejecutar las
instrucciones almacenadas en la memoria de solo lectura (ROM). En la mayoría de
los sistemas informáticos, la ROM también contiene partes del sistema
operativo. Los programas firmware de la ROM se conocen a veces como BIOS
(basic input/output system, sistema básico de entrada/salida).
Las
instrucciones que se ejecutan ayudan al sistema a iniciarse y le indican como
cargar el sistema operativo (copiarlo del disco a la memoria).
Una vez que
las instrucciones de ejecución están cargadas en la memoria, la CPU es capaz de
ejecutarlas.
Direcciones
de memoria
Existen dos
conceptos importantes asociados a cada celda o posición de memoria: su dirección
y su contenido. Cada celda o byte tiene asociada una única dirección
que indica su posición relativa en memoria y mediante la cual se puede acceder
a la posición para almacenar o recuperar información. El contenido de estas
direcciones o posiciones de memoria se llaman palabras, de modo que existen
palabras de 8, 16,32, y 64 bits. Por consiguiente, si trabaja con una maquina
de 32 bits, significa que en cada posición de memoria de su computadora puede
alojar 32 bits, es decir, 32 dígitos, bien ceros y unos.
Siempre que una
nueva información se almacena en una posición se destruye cualquier información
que en ella hubiera y no se puede recuperar. La dirección es permanente y única,
el contenido puede cambiar mientras se ejecuta un programa.
Unidades
de medida de almacenamiento de la computadora
Byte
|
Byte (B)
|
Equivale a
|
8 bits
|
Kilobyte
|
Kbyte (KB)
|
Equivale a
|
1.024 bytes
|
Megabyte
|
Mbyte (MB)
|
Equivale a
|
1.024 Kilobytes
|
Gigabyte
|
Gbyte (GB)
|
Equivale a
|
1.024 Megabytes
|
Terabyte
|
Tbyte (TB)
|
Equivale a
|
1.024 Gigabytes
|
Petabyte
|
Pbyte (PB)
|
Equivale a
|
1.024 Terabytes
|
Exabyte
|
Ebyte (EB)
|
Equivale a
|
1.024 Petabytes
|
Zettabyte
|
Zbyte (ZB)
|
Equivale a
|
1.024 Exabytes
|
Yotta
|
Ybyte (YB)
|
Equivale a
|
1.024 Yottabytes
|
Bytes
y direcciones
La memoria
principal se divide en posiciones numeradas denominadas bytes. El número
asociado con un byte es su dirección en alusión a la técnica de identificar las
casas de una ciudad por su dirección. Un grupo de bytes consecutivos se utiliza
como la posición de un elemento de datos, tal como un número o letra. La dirección
del primer byte del grupo se utiliza como la dirección de esta posición de
memoria más alta.
La memoria
principal es la encargada de almacenar los programas y datos que se están ejecutando
y su principal característica es que el acceso a los datos o instrucciones
desde esta memoria es muy rápido.
En la memoria
principal se almacenan:
·
Los datos enviados
para procesarse desde los dispositivos de entrada
·
Los programas que realizaran
los procesos
·
Los resultados
obtenido preparados para enviarse a un dispositivo de Salida
Memoria
Auxiliar
Cuando un
programa se ejecuta, se debe situar primero en memoria central de igual modo
que los datos. Sin embargo, la información almacenada en la memoria se pierde
(borra) cuando se apaga la computadora y, por otra parte la memoria central es
limitada en capacidad. Por esta razón, para poder disponer de almacenamiento
permanentes, tanto para programas como para datos, se necesitan dispositivos de
almacenamiento secundario, auxiliar o masivo.
Los
dispositivos de almacenamiento o memorias auxiliares mas comúnmente utilizados
son: cintas
magnéticas, discos magnéticos, discos compactos.
La información
almacenada en la memoria central es volátil (desaparece cuando se apaga la
computadora) y la información almacenada en la memoria auxiliar es permanente.
Esta información se organiza en unidades independiente llamadas archivos
(ficheros, file en ingles). Los resultados de los programas se pueden guardar
como archivos de datos y los programas que se escriben se guardan como archivos
de programas, ambos en la memoria auxiliar. Cualquier tipo de archivo se puede
trasferir fácilmente desde la memoria auxiliar hasta la memoria central para su
proceso posterior.
La memoria auxiliar permanente almacena
gran cantidad de archivos en los
diferentes dispositivos mencionados anteriormente. Cada archivo normalmente
tiene un nombre arbitrario y una extensión que indica el tipo de archivo que se
esta tratando (tales como .doc que indica un archivo de un procesador de textos,
Word.
Los archivos pueden contener cualquier
tipo de datos. Ejemplos pueden ser una imagen, un archivo de sonido, un
programa de computadora, una letra o simplemente una lista de números.
El
software (Los programas)
Las operaciones
que debe realizar el hardware son especificadas por una lista de instrucciones,
llamadas programas software. El software se divide en dos grandes grupos: software
del sistema y software de aplicaciones.
El software
del sistema es el conjunto de programas
indispensables para que la maquina funcione; se denomina también programas del
sistema. Estos programas son, básicamente, el sistema operativo, los editores
de texto, los compiladores/interpretes (lenguajes de programación) y los
programas de utilidad.
Uno de los
programas mas importante es el sistema operativo, que sirve,
esencialmente, para facilitar la escritura y uso de sus propios programas. El
sistema operativo dirige las operaciones globales de la computadora, instruye a
la computadora para ejecutar otros programas y controla el almacenamiento y recuperación
de archivos (programas y datos) de cintas y discos. Gracias al sistema
operativo es posible que el programador pueda introducir y grabar nuevos
programas, así como instruir a la
computadora para que los ejecute. Los sistemas operativos pueden ser:
monousuarios (un solo usuario) y multiusuarios, o tiempo compartido (diferentes
usuarios), atendiendo al número de usuarios, y monotarea (una sola tarea) o
multitarea (múltiples tareas), según las tareas (procesos) que puede realizar
simultáneamente. Los sistemas operativos más populares son Windows XP, Vista, 7
,8 y Linux en sus distintas distribuciones (Ubuntu, Debian, Fedora, etc.). El único
sistema operativo, prácticamente gratis, es Linux que cada día tiene mayor
aceptación.
Un sistema
operativo permite utilizar el hardware y comunicarse con el resto del software
del sistema. El sistema operativo consta de varios componentes importantes. Kernel
del sistema el cual esel componente central del sistema; sistema
de administración de memoria el cual asigna un área de memoria para
cada programa que se esta ejecutando; administrador del sistema de archivos,
que organiza y controla el uso de los discos; controladores de dispositivos,
que controla los dispositivos de hardware conectados a la computadora, y bibliotecas
del sistema que contiene todos los tipos de programas de utilidad que se pueden llamar
por programas de usuario.
Un programa
es un conjunto de instrucciones que controlan (dirigen) a una computadora; mas
formalmente, un programa de computadora es un conjunto de instrucciones
internas utilizadas para ejecutarse en una computadora y que produzca un
resultado concreto. Otro termino para un programa o conjunto de programas es
software; ambos términos se utilizan indistintamente. El proceso de escribir un
programa o software se denomina programación y el conjunto de
instrucciones que se pueden utilizar para construir un programa se denomina lenguaje
de programación. Así pues, los lenguajes utilizados para escribir
programas de computadoras son los lenguajes de programación y programadores
son los escritores y diseñadores de programas.
Cuando un
programa se ejecuta normalmente hay dos tipos de entrada a una computadora. El
programa es un tipo de entrada (contiene instrucciones que la computadora debe
realizar y seguir). El otro tipo de entrada son los datos para el programa. Es
la información que procesara la computadora. Por ejemplo, si es un programa de corrección
de textos, los datos como el propio programa son entradas. La salida es el
resultado (o resultados) producidos cuando la computadora sigue las
instrucciones del programa. Si el programa es el de corrección de la sintaxis
de un texto, la salida del programa es una lista de palabras que están mal
escritas. Cuando se proporciona a la computadora un programa y datos y se dice
a la computadora que siga las instrucciones del programa, se realiza una
operación que se denomina ejecución del programa con los datos y el computador
se dice que ejecuta el programa con los datos.
