ESTRUCTURA
Y FUNCIONAMIENTO DE SISTEMAS INFORMÁTICOS
(Éste es el material para estudiar)
1. Conceptos básicos
(Éste es el material para estudiar)
1. Conceptos básicos
Una definición de computadora
Máquina digital
electrónica programable para
el tratamiento automático
de la
información. Recibe datos, realiza operaciones sobre ellos mediante
procesos determinados (instrucciones) y suministra los resultados de tales
operaciones.
Definición de dato e información
Dato: es un elemento aislado, recabado para un cierto fin, pero que no ha pasado por un proceso que lo interrelacione con otros.
Información: se trata de datos procesados y relacionados de manera que nos
pueden ser útiles para la correcta toma de decisiones.
Diferencia entre dato e información
Por ejemplo, una empresa recaba los siguientes datos entre
varios documentos de un posible cliente:
Ciudad, Pablo
Álvarez, Moreno 740, 35 años, 002-3426478,
Olivos
De este modo, cada dato por sí solo no nos dice nada, por ello tienen que pasar por un proceso (análisis, ordenamiento, agregado, u otros), el cuál le dé sentido a los datos anteriores:
Después del procesamiento de los datos podemos obtener la siguiente información:
Nombre: Pablo
Apellidos: Álvarez
Edad: 35 años
Dirección Moreno 740
Localidad: Olivos
Banco: Ciudad
Cuenta: 002-3426478
Por lo tanto, la diferencia radica en que la información se compone de datos que
ya han sido procesados de
algún modo para que tengan un sentido y un objetivo al momento de tomar
decisiones.
En resumen, las
computadoras procesan datos, y
obtienen información. Puede
ocurrir que la
información que sale de un proceso dado se alimente como dato en el proceso siguiente, encadenando
así varios procesos.
Una computadora está constituida por dos componentes principales
• Hardware (parte física o
tangible).
• Software (parte formada
por los programas).
El hardware
está regido por
una CPU (Central
Process Unit) o unidad central
de
procesamiento
(microprocesador), que a su vez está constituída por una unidad de
control CU (control
Unit), una unidad aritmético-lógica ALU
(Arithmetic-Logic Unit), y
una pequeña cantidad de memoria denominada memoria de
registro.
Por otra parte, se encuentra la memoria principal o primaria, también llamada RAM o
memoria de trabajo
(Random Access Memory), y cierta cantidad de memoria de inicialización y configuración, llamada
ROM (Read Only Memory).
También existen los medios de almacenamiento secundario de datos, que pueden ser un soporte magnético (discos) u óptico (Lectograbadoras de CD/DVD/Blueray).
Para comunicarse con el
medio ambiente que la rodea, a las computadoras se les conectan
una serie de dispositivos
externos a la misma, que se denominan periféricos. Son ejemplos de ellos: teclado,
impresora, modem, escáner, monitor y muchos otros.
Según su función, estos
periféricos se denominan de Entrada
(Input), de Salida (Output) o también pueden funcionar en forma mixta (E/S).
Definición de programa
Un programa consiste en una serie de instrucciones que le indica al procesador las
tareas que debe ejecutar.
2. Sistemas informáticos
Un sistema informático está
compuesto por:
a) Componente físico: que constituye el hardware del sistema informático que
lo conforman, basicamente, los ordenadores,
los periféricos y el sistema de comunicaciones. Los componentes físicos proporcionan
la capacidad y la potencia de cálculo del sistema
informático.
b) Componente lógico: que constituye el software del sistema informático y
lo conforman,
basicamente, los programas, las
estructuras de datos y la documentación asociada El
software se encuentra
distribuido en el hardware y lleva a cabo el proceso lógico que
requieren los datos.
c) Componente humano: constituido por todas las personas participantes en
todas las
fases de la vida de un sistema
informático (diseño, desarrollo, implantación, explotación).
Este componente humano es
sumamente importante ya que los sistemas informáticos están
desarrollados por humanos y para
uso de humanos.
2.2 Modelo de Von Neumann
A un nivel muy alto, un sistema
informático que implemente la arquitectura Von
Neumann consta de tres
componentes básicos: Unidad central de proceso, memoria principal y módulos de entrada/salida
(E/S). Estos componentes básicos se encuentran
interconectados para llevar a
cabo la función principal de una computadora, la cual consiste
en la ejecución de instrucciones que indican los programas.
Componentes
básicos
Unidad central de proceso: controla la operación de la computadora y es la
encargada de ejecutar las
instrucciones de los programas que se almacenan en la memoria.
También se lo llama procesador o
con las siglas CPU (Central Processing Unit).
Está compuesta por:
Unidad de control (CU) : su función es coordinar la operación de todas
las demás
unidades ofreciendo señales de temporización para mantener al sistema en
sincronización adecuada y de control para seleccionar si se desea leer o
escribir en
una dirección de memoria o en un dispositivo de E/S.
Registros : proporcionan un nivel de memoria que es más rápido y pequeño que la
memoria principal. Existen registros del procesador visibles e
invisibles para el
usuario. Los registros visibles para el usuario permiten al programador
de lenguaje
máquina o ensamblador minimizar las referencias a la memoria principal
utilizando
estos registros. Con lenguajes de alto nivel es el compilador el que
intenta optimizar
el código para utilizarlos eficientemente. Por otra parte, existen los
registros de
control y de estado que son utilizados por el procesador para el control
de las
operaciones y las rutinas del sistema operativo para controlar la
ejecución de los
programas. Estos registros son el la mayoría de los casos invisibles
para el usuario.
Unidad aritmético-lógica (ALU) : permite efectuar un conjunto de operaciones
aritméticas y lógicas con los datos.
Memoria principal: en ella se almacena el programa a ejecutar en código
máquina, los datos
de entrada y los resultados. Esta memoria es normalmente volátil y
también se la conoce como memoria real.
Módulos de E/S: transportan los datos entre la computadora y los dispositivos
externos. Estos dispositivos pueden ser memoria secundaria, equipos de
comunicación,
terminales, impresoras, etc.
Además de los tres componentes básicos descriptos se encuentran en la arquitectura
los buses
de datos, direcciones y control.
El procesador utiliza el bus de datos para mover datos entre el procesador y la memoria principal, entre el procesador y los dispositivos externos o entre la memoria principal y los dispositivos externos.
El procesador utiliza el bus de direcciones para indicar la dirección de memoria o dispositivo externo donde se quiere leer o escribir.
Por último, el bus de control se utiliza para habilitar el dispositivo sobre el que se quiere leer o escribir e indicar cual de estas operaciones se va a realizar.
El procesador utiliza el bus de datos para mover datos entre el procesador y la memoria principal, entre el procesador y los dispositivos externos o entre la memoria principal y los dispositivos externos.
El procesador utiliza el bus de direcciones para indicar la dirección de memoria o dispositivo externo donde se quiere leer o escribir.
Por último, el bus de control se utiliza para habilitar el dispositivo sobre el que se quiere leer o escribir e indicar cual de estas operaciones se va a realizar.
La figura 1 muestra
esquemáticamente la arquitectura Von Neumann:
2.3 Módulos de entrada / salida (E/S)
Los módulos de E/S, por ejemplo un
controlador de disco, intercambian datos
directamente con el procesador y
éste puede leer o escribir datos en un módulo de E/S
específico. Para realizar esta
función el procesador identifica a un dispositivo determinado
que es controlado por un módulo
de E/S.
Existen casos en los que es
conveniente permitir que los intercambios de E/S se
realicen directamente entre el
módulo de E/S y la memoria principal. De esta forma, se libera al procesador de esta tarea pero
debe otorgar autoridad a un módulo de E/S para leer y escribir en la memoria
principal. Esta operación es denominada como acceso
directo a
memoria (DMA, Direct Memory Access).
3. Ejecución
de las instrucciones de un programa
Un programa para ser ejecutado
por el procesador consta de un conjunto de
instrucciones almacenadas en
memoria.
El procesamiento de las instrucciones implica dos pasos: el procesador lee de a una las instrucciones desde la memoria y a continuación ejecuta cada una de ellas. La ejecución de un programa consiste en la repetición de este proceso de lectura y ejecución de las instrucciones. Dependiendo del tipo de instrucción pueden involucrarse varias operaciones por cada una de ellas.
El procesamiento de las instrucciones implica dos pasos: el procesador lee de a una las instrucciones desde la memoria y a continuación ejecuta cada una de ellas. La ejecución de un programa consiste en la repetición de este proceso de lectura y ejecución de las instrucciones. Dependiendo del tipo de instrucción pueden involucrarse varias operaciones por cada una de ellas.
La ejecución de un programa se
detiene solamente si se apaga el equipo, se produce
un error irrecuperable o se
encuentra una instrucción en el programa que detiene a la
computadora.
El procesamiento requerido para
una instrucción se denomina ciclo de instrucción e involucra el ciclo de lectura
(fetch) y ciclo de ejecución.
Al comienzo de cada ciclo de
instrucción, el procesador lee una instrucción de la
memoria y cuenta con un registro
llamado contador de programa (PC, Program Counter), que se utiliza para llevar la
cuenta de cuál es la próxima instrucción a leer. A menos que se indique otra cosa, el procesador
siempre incrementará el PC después de leer cada instrucción. De esta forma se
irán leyendo secuencialmente todas las instrucciones del programa.
La instrucción leída se carga en
un registro del procesador llamado registro de
instrucción (IR, Instruction
Register). El procesador interpreta la instrucción y realiza la
acción requerida. Estas acciones
pueden clasificarse en las siguientes categorías:
Procesador – memoria: se transfieren datos del procesador a la memoria o
viceversa.
Procesador – E/S: se transfieren datos desde o hacia un dispositivo
externo. La
transferencia se realiza entre
el procesador y un módulo de E/S.
Tratamiento de datos: el procesador realiza una operación aritmética o
lógica
sobre los datos.
Control: una instrucción puede indicar que se altere la
secuencia de ejecución de
las instrucciones, indicando a
cual se debe dirigir. Por ejemplo, la instrucción con
ubicación 200 indica que la
próxima instrucción a ser leída será la 180.
4. Los
Sistemas Operativos
4.1 Definición de Sistema Operativo
Un sistema operativo (SO) está
constituido por un conjunto de programas que actúan
como intermediarios entre el
usuario y el hardware del sistema informático. Además, controla la ejecución de
los programas de aplicación proporcionando un entorno para su ejecución.
Estos programas utilizan las
facilidades que brinda el SO para acceder a recursos del sistema informático como el procesador,
archivos y dispositivos de E/S. De esta manera, el SO constituye la base sobre la que
se escriben los programas de aplicación.
4.2 Objetivos de un sistema operativo
Comodidad: Debe permitir que un sistema informático sea más
fácil de utilizar.
Eficiencia: Debe permitir una administración eficiente de los
recursos del sistema
informático.
Capacidad de evolución: Debe permitir su evolución en el tiempo debido a
actualizaciones del hardware,
nuevos tipos de hardware o la necesidad de dar
respuesta a las necesidades de
nuevos servicios por parte de los usuarios.
4.3 El Sistema Operativo como interfaz
usuario/computadora
El SO es el software más
importante de un sistema informático, oculta al programador o usuario los detalles de la
arquitectura del hardware y proporciona una interfaz que simplifica el uso del sistema.
De esta forma, el usuario final ve al sistema informático en términos de aplicaciones que le
permiten realizar distintas tareas con la computadora. Las aplicaciones son escritas por
programadores de aplicaciones con un lenguaje de programación. Si las
aplicaciones se desarrollaran desde instrucciones de máquina que controlen el hardware sería una
tarea muy compleja y agobiadora. Para facilitar esta tarea, el SO ofrece
múltiples funcionalidades y servicios que los programadores utilizan para
llevar a cabo ciertas acciones que realizarán sus programas.
En resumen, el SO ofrece
servicios en las siguientes áreas:
Ejecución de
programas.
Creación de
programas.
Acceso a los
dispositivos de E/S.
Acceso a los archivos.
Acceso al sistema (en el caso de sistemas compartidos controla el acceso
de los
usuarios al sistema.)
Detección y respuesta a errores.
El SO se relaciona directamente con el hardware del sistema informático
y sirve de
plataforma para la ejecución de los programas de aplicación. La siguiente
figura muestra el nivel que ocupa en un sistema informático.
4.5 Servicios
El SO oculta al usuario los detalles del hardware y le proporciona una interfaz
cómoda para utilizar el sistema.
Además, el SO actúa como mediador, ofreciendo al
programador y a los programas de
aplicación un conjunto de servicios y utilidades que
facilitan su tarea.
De forma resumida el sistema
operativo ofrece servicios en las siguientes áreas:
Creación de programas: El sistema operativo ofrece una gran variedad de
servicios como
los editores y depuradores
(debuggers), para ayudar al programador en la creación de
programas. Normalmente, estos
servicios existen como programas de utilidad que no forman
realmente parte del sistema
operativo, pero que son accesibles a través de él.
Ejecución de programas: Para ejecutar un programa es necesario realizar un
cierto
número de tareas. Las
instrucciones y los datos deben cargarse en memoria principal, los
archivos y los dispositivos de
E/S deben inicializarse y deben prepararse otros recursos. El
sistema operativo administra
todas estas tareas por el usuario.
Acceso a los dispositivos de E/S: Cada dispositivo de E/S
requiere un conjunto propio y
particular de instrucciones o
señales de control para su funcionamiento. El sistema operativo,
ayudado por los controladores o
drivers de dispositivo tiene en cuenta estos detalles de
forma que el programador pueda
pensar en forma de lecturas y escrituras simples desde o
hacia el dispositivo.
Acceso controlado a los archivos: El sistema operativo se ocupa
del formato de los
archivos y del medio de
almacenamiento. En el caso de sistemas de varios usuarios
trabajando simultáneamente, es
el sistema operativo el que brinda los mecanismos para
controlar que el acceso a los
archivos se lleve a cabo de una forma correcta.
Acceso al sistema: En el caso de un sistema compartido o público, el
sistema operativo
controla el acceso al sistema
como un todo y a los recursos específicos del sistema. Las
funciones de acceso deben
brindar protección a los recursos y a los datos ante usuarios no
autorizados y debe resolver
conflictos en la propiedad de los recursos.
Detección y respuesta a errores: Cuando un sistema informático está a en
funcionamiento pueden producirse
varios errores. El sistema operativo debe dar una
respuesta que elimine la
condición de error con el menor impacto posible sobre las
aplicaciones que están en
ejecución.
Contabilidad: Un sistema operativo debe recoger estadísticas de
utilización de los diversos
recursos y supervisar parámetros
de rendimiento tales como el tiempo de respuesta.
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