1 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Capítulo 1 Introducción a la Computación

DISPOSITIVOS DE ENTRADA (Teclado, Ratón, etc) C P U DISPOSITIVOS DE SALIDA (Monitor, Impresora, etc.) MEMORIA PRICIPAL (RAM) ALMACENAMIENTO (Memoria Secundaria: Disco Duro, Diskette, CD, etc.)

Organización Básica de un Sistema Computacional

4 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Ciclo de Lectura y Ejecución CPU, Memoria Principal, Lenguaje de Máquina, Registros, Transistores, Números Binarios

5 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación CPU ● Una computadora consiste de muchos componentes diferentes ● El CPU es el cerebro, cuya principal función es ejecutar programas ● Un programa es una lista de instrucciones no ambiguas hechas para que sean seguidas mecánicamente por la computadora

6 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Lenguaje de Máquina ● Las computadoras ejecutan instrucciones que son escritas en un lenguaje muy simple llamado lenguaje de máquina ● Cada tipo de computadora tiene su propio lenguaje de máquina ● Sólo podrá ejecutar los programas si están escritos en ese lenguaje

7 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Memoria ● Cuando el CPU ejecuta un programa, dicho programa se encuentra en la memoria principal ● La memoria principal consiste de una secuencia de “casillas” ● Estas casillas son numeradas y la secuencia de números es llamada dirección de memoria ● Una dirección provee una manera de especificar una pieza de información entre millones almacenadas en la memoria

Ejemplo de Organización de la Memoria 0x0 0x2000 0x50000 code stack heap Dynamic allocation malloc(), free() Function calls, local variables Inmutable

9 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Ciclo de Lectura y Ejecución ● El CPU ejecuta un programa que es almacenado como una secuencia de instrucciones de lenguaje de máquina en la memoria principal ● Para ello el CPU debe leer una instrucción de la memoria y ejecutarla ● Esto lo hace repetidamente, por lo que se le llama ciclo de lectura y ejecución

10 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Registros ● El CPU contiene unos pocos registros internos ● Los registros son pequeñas unidades de memoria capaces de almacenar un número o una instrucción en lenguaje de máquina ● El CPU utiliza uno de estos registros (PC contador de programa) para almacenar la dirección de la siguiente instrucción que se debe ejecutar ● Al comienzo de cada ciclo, el CPU revisa el PC para ver que instrucción debe ejecutar. – PC es actualizado con la propia ejecución del programa (usualmente es incrementado de uno en uno)

11 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Transistores ● Una computadora ejecuta programas en lenguaje de máquina mecánicamente ● Está construida por millones de pequeños interruptores llamados transistores ● La operación de una computadora origina que estos interruptores se prenden y apagan entre sí ● El patrón que siguen está determinado por el cableado entre ellos y el programa que se está ejecutando

12 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Números binarios ● Las instrucciones de lenguaje de máquina y los datos se expresan en números binarios ● Un número binario es aquel que está formado por sólo 2 valores (0 y 1) ● Los transistores pueden expresar adecuadamente los dos estados (prendido o apagado) ● Cuando se carga una instrucción de la memoria, todo lo que sucede es que ciertos interruptores se prenden y otros se apagan en un patrón que está codificado en la propia instrucción

13 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Resumen ● La memoria principal almacena programas en lenguaje de máquina y datos ● Estos son codificados como números binarios ● El CPU lee instrucciones de lenguaje de máquina de la memoria una tras otra y las ejecuta ● El CPU realiza este ciclo mecánicamente y por lo tanto el programa que ejecuta debe estar perfecto, completamente detallado y sin ambigüedades ● El CPU lo único que puede hacer es ejecutar las instrucciones tal cual como estén escritas

14 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Resumen

15 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Interrupciones Device Drivers, Bus, Interrupciones, Eventos Asíncronos, Multitareas, Sistema Operativo

16 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Otros Componentes del Computador ● Además del CPU y de la Memoria, un computador tiene otros componentes: – Un disco duro para almacenar programas y datos – Un teclado y ratón para entrada – Un monitor e impresora para salida – Un modem o targeta de red para comunicarse con otras computadoras – Un scanner para digitalizar imágenes –...

17 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Device Driver ● De alguna manera el CPU tiene que comunicarse con todos estos dispositivos ● Para cada dispositivo, existe un device driver ● Un device driver consiste de software que el CPU ejecuta cuando tiene que interactuar con el dispositivo respectivo

18 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Bus ● Una computadora típicamente conecta todos estos dispositivos a uno o más buses ● Un bus es un conjunto de cables que transportan varios tipos de información entre los dispositivos conectados a esos cables ● Por el bus viaja – Datos – Direcciones – Señales de control

19 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Diagrama simple de una Computadora

20 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Procesamiento de datos de I/O ● Los dispositivos pueden producir datos que necesitan ser procesados por el CPU ● ¿Cómo el CPU sabe que los datos están disponibles? – Pooling ● El CPU periódicamente revisa si existen datos que procesar – Interrupciones

21 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Interrupciones ● Es una señal enviada al CPU por otro dispositivo ● Proceso – Se recibe la señal – Se hace a un lado lo que sea que se estuviese haciendo – Se atiende la interrupción – Se vuelve al punto de lo que se encontraba realizando ● Ejemplo: presionar una tecla

22 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Interrupciones ● Un dispositivo notifica una interrupción simplemente al encender un cable ● El CPU guarda información acerca de lo que está haciendo – El contenido de los registros, entre ellos el PC ● El CPU salta a una dirección de memoria predeterminada y comienza a ejecutar las instrucciones ahí almacenadas ● Al final el manejador de instrucciones le dice al CPU que reanude lo que estaba haciendo (restaurando los datos previamente guardados)

23 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Eventos asíncronos ● Las interrupciones le permiten al CPU manejar eventos asíncronos ● En el ciclo regular de leer y ejecutar, las operaciones se ejecutan en un orden predeterminado ● Las interrupciones hacen posible que el CPU maneje eficientemente eventos que suceden asíncronamente ● Ejemplo: leer información de disco – El CPU solicita un dato y luego realiza otra tarea hasta que se le notifica que el dato está disponible

24 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Multitareas ● La ventaja de interrupciones sobre pooling sólo es tal si el CPU tiene otra cosa que hacer ● Todos los sistemas operativos modernos utilizan multitarea para realizar varias “tareas” a la vez ● El CPU reparte su tiempo atendiendo una fracción de segundo a cada tarea ● Ejemplo: Estar escribiendo una carta, mientras se escucha música y se baja un archivo de Internet

25 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Hilo de Ejecución ● Cada tarea individual en la que trabaja el CPU es llamada un hilo ● A determinado momento, sólo un hilo puede estar ejecutándose en el CPU ● El CPU continuará ejecutando el mismo hilo hasta que el hilo: – cede el control (yield) – se bloquea (espera a que ocurra algún evento asíncrono) – agote su “rebanada de tiempo” (sólo preemptive)

26 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Sistema Operativo ● El software que realiza todo el manejo de interrupciones, y la comunicación del usuario con el hardware es llamado Sistema Operativo ● Una computadora no podría funcionar sin un sistema operativo, y las aplicaciones dependen de él ● Sistemas Operativos comunes: UNIX, Linux, DOS, Windows 98, Windows 2000 Mac OS X, entre otros.

27 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Lenguajes de Alto Nivel ● Lenguaje de Máquina consiste de instrucciones muy simples que son ejecutadas por el CPU ● Sin embargo, casi todos los programas se escriben en lenguajes de alto nivel – Ejemplo: Java, Pascal, C, C++, C#, FORTRAN... ● Los programas escritos en estos lenguajes deben ser traducidos a lenguaje de máquina para poder ser ejecutados ● Se utilizan compiladores e interpretes para realizar esta traducción

28 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Compilador ● Un compilador toma un programa escrito en lenguaje de alto nivel y lo traduce en un programa ejecutable en lenguaje de máquina ● Una vez realizada la traducción, se puede ejecutar cualquier número de veces ● Si se desea ejecutar el programa en otro tipo de computadora, debe ser re-traducido, usando un compilador para la computadora deseada

30 Presentación: Copyright 2004© Nelson Arapé Basado en Introduction to Programming Using Java Versión 4 de David J. Eck Capítulo 1: Introducción a la Computación Intérprete ● A diferencia del compilador, el intérprete traduce el programa instrucción por instrucción ● Actúa parecido a un CPU, con un ciclo de leer y ejecutar – Se lee una instrucción del programa – Se decide que se necesita para llevarla a cabo – Se ejecutan las instrucciones de lenguaje de máquina correspondientes