Composición de la tecnología informática. Características básicas de la tecnología informática. Historia del desarrollo de la tecnología informática.

El concepto de tecnología informática es un conjunto de medios, métodos y técnicas técnicos y matemáticos utilizados para mecanizar y automatizar los procesos de cálculo y procesamiento de información. La base de los medios técnicos de la informática moderna son las computadoras electrónicas (computadoras), dispositivos de entrada, salida, presentación y transmisión (escáneres, impresoras, módems, monitores, trazadores, teclados, cintas magnéticas y unidades de disco, etc.), computadoras portátiles, microcalculadoras, cuadernos electrónicos, etc.

Una computadora personal es una microcomputadora de escritorio o portátil de un solo usuario que cumple con el requisito de accesibilidad universal y universalidad.

La base de una computadora personal es un microprocesador. El desarrollo de la tecnología y la tecnología de microprocesadores ha determinado el cambio en las generaciones de PC:

1.ª generación (1975 – 1980): basada en MP de 8 bits;

2.ª generación (1981 – 1985): basada en MP de 16 bits;

3.ª generación (1986 – 1992): basada en MP de 32 bits;

Cuarta generación (desde 1993): basada en MP de 64 bits.

Hoy el mundo de la informática está al borde de una revolución: CPU con transistores de nueva generación y potentes chips móviles aumentará el rendimiento de portátiles, tabletas y teléfonos inteligentes en un orden de magnitud.

Los elementos de procesamiento de 10 y 12 nm cambiarán completamente el mundo de la informática el próximo año: su grosor es 10.000 veces menor que un cabello humano (100.000 nm) y su diámetro se acerca al de los átomos de silicio (0,3 nm).

Los principales fabricantes de microprocesadores para PC en la actualidad siguen siendo:

Intel es pionera en la creación y producción de procesadores modernos. Hoy en día, las PC más populares en el costoso mercado de las computadoras son las PC con procesadores basados ​​​​en una arquitectura multinúcleo. núcleo Intel.

En abril de 2012, Intel presentó la tercera generación de la familia de procesadores Intel® Core™ de cuatro núcleos, disponible en potentes sistemas de escritorio PC todo en uno de calidad profesional, móviles y delgadas que cuentan con los primeros chips de 22 nm del mundo que utilizan transistores Tri-Gate 3D.

AMD (Advanced Micro Deviced) es el competidor más real de Intel. Hasta hace poco, ocupaba un nicho en el mercado de las computadoras con procesadores económicos pero rápidos, destinados principalmente a computadoras económicas y actualizaciones.

Con la creación en 1999 de los procesadores Athlon, Thunderbird, Polamino, Thoroughbred, Barton y, después de 2003, los procesadores de la serie K8, comenzó a competir seriamente con Intel. Hoy en día, ambas empresas producen un producto de buena calidad que puede satisfacer las necesidades de casi cualquier usuario exigente.

Actualmente, alrededor del 85% de los ordenadores personales se fabrican con estos procesadores. Según su finalidad se pueden dividir en tres grupos:

Hogar, destinado al consumo masivo y con la configuración básica más sencilla;

Propósito general, destinado a la solución de problemas científicos, técnicos, económicos y de otro tipo y capacitación. Esta clase es la más extendida y, por regla general, la atienden usuarios no profesionales;

Profesional utilizado en el campo científico para resolver problemas complejos de información y producción. Presentan altas características técnicas y son atendidos por usuarios profesionales.

Además, según su diseño, los PC se dividen en:

Computadoras PORTÁTILES (computadora “portátil”). En una computadora portátil, el teclado y la unidad del sistema están fabricados en una sola carcasa, que se cierra en la parte superior con una tapa con una pantalla LCD. La mayoría de los modelos no difieren para mejor en sus parámetros técnicos y tienen pantallas monocromáticas;

CUADERNO (“cuadernos”). Los últimos modelos tienen parámetros técnicos bastante altos, comparables a los de las PC de uso general ( Procesadores centrales i7-3612QM, vídeo de hasta 6144 Mb, discos duros – HDD de más de 600 GB o SSD de hasta 256 GB;

ULTRABUK (Ultrabook en inglés) es una computadora portátil ultradelgada y liviana, con dimensiones y peso aún más pequeños en comparación con las subportátiles convencionales, pero al mismo tiempo tiene la mayoría de las características de una computadora portátil completa. El término comenzó a difundirse ampliamente en 2011, después de que Intel Corporation presentara una nueva clase de PC móviles: los ultrabooks, un concepto de Intel y Apple, desarrollado sobre la base del lanzado en 2008. portátil de manzana MacBook Air. Los ultrabooks son más pequeños que los portátiles normales, pero un poco más grandes que los netbooks. Están equipados con una pequeña pantalla de cristal líquido de 11 a 13,3 pulgadas, son compactos: tienen un grosor de hasta 20 mm y pesan hasta 2 kg. Debido a su pequeño tamaño, los ultrabooks tienen pocos puertos externos y la mayoría no tiene unidad de DVD.

Una netbook es una computadora portátil con un rendimiento relativamente bajo, diseñada principalmente para acceder a Internet y trabajar con aplicaciones de oficina. Tiene una diagonal de pantalla pequeña de 7 a 12 pulgadas, bajo consumo de energía, peso ligero y costo relativamente bajo.

El principio de funcionamiento de las PC modernas se puede describir mediante el siguiente algoritmo:

I. Inicialización

Después de encender la computadora, cargar el sistema operativo y el programa necesario, al contador del programa se le asigna un valor inicial igual a la dirección del primer comando de este programa.

II. Selección de equipo

La CPU realiza la operación de leer un comando de la memoria. El contenido del contador del programa se utiliza como dirección de la celda de memoria.

III. Interpretar el comando e incrementar el contador del programa.

La CPU interpreta el contenido de la celda de memoria leída como un comando y lo coloca en el registro de comando. La central comienza a interpretar el mando. Basándose en el campo del código de operación de la primera palabra del comando, la CU determina su longitud y, si es necesario, organiza operaciones de lectura adicionales hasta que la CPU lee el comando completo. La longitud del comando se agrega al contenido del contador del programa y, cuando el comando se lee por completo, se genera la dirección del siguiente comando en el contador del programa.

IV. Descifrado de comandos y ejecución de comandos.

Utilizando los campos de dirección de la instrucción, la unidad de control determina si la instrucción tiene operandos en la memoria. Si es así, en función de los modos de direccionamiento especificados en los campos de dirección, se calculan las direcciones de los operandos y se realizan operaciones de lectura de memoria para leer los operandos.

La unidad de control y la ALU realizan la operación especificada en el campo del código de operación de la instrucción. El registro de bandera del procesador almacena las características de la operación.

V. De ser necesario, el Responsable realiza Operación de escribir el resultado en la memoria.

Si el último comando no fue "detener el procesador", entonces se vuelve a realizar la secuencia de operaciones descrita. Esta secuencia de operaciones se llama ciclo del procesador .

En computadoras específicas, la implementación de este algoritmo puede diferir ligeramente. Pero, en principio, el funcionamiento de cualquier computadora von Neumann se describe mediante un algoritmo similar y es una secuencia de operaciones bastante simples.

Una PC incluye tres dispositivos principales: unidad del sistema, teclado y pantalla . Para ampliar la funcionalidad de la PC, se conectan adicionalmente dispositivos periféricos: impresora, escáner, manipuladores etc. Estos dispositivos se conectan a la unidad del sistema mediante cables a través de conectores ubicados en la pared posterior unidad del sistema, o se insertan directamente en la unidad del sistema. La PC tiene una estructura modular. Todos los módulos están conectados al bus del sistema.

Se utiliza para controlar dispositivos externos. controladores (adaptadores VU) . Después de recibir un comando del MP, el controlador, que funciona de forma autónoma, libera al MP de realizar funciones específicas para dar servicio al dispositivo externo.

Cabe señalar que el aumento en el rendimiento del MP moderno y de los dispositivos individuales externos a él (memoria principal y externa, sistemas de video, etc.) ha llevado al problema del aumento banda ancha bus del sistema al conectar estos dispositivos. Para solucionar este problema, se desarrollaron autobuses locales conectados directamente al autobús MP.

El dispositivo principal de una PC es unidad del sistema . Consta de una CPU, un coprocesador, permanente y memoria de acceso aleatorio, controladores, unidades de disco magnético, fuente de alimentación y otros módulos funcionales. La configuración de la PC se puede cambiar conectando módulos adicionales. Para garantizar el funcionamiento constante de los dispositivos de PC tarjeta madre contiene un chipset, es decir conjunto de microcircuitos (chips).

El chipset determina las principales capacidades de la placa:

· tipos de CPU compatibles;

· frecuencia máxima del bus del sistema;

· lógica de conmutación de dispositivos;

tipos soportados y talla máxima memoria principal;

· velocidad de trabajo con cada tipo de memoria;

· soporte para puerto de gráficos acelerados;

· tipo de interfaz de disco y sus modos;

· número máximo de ranuras de expansión;

· Monitoreo de PC.

El conjunto de chips de una PC moderna generalmente consta de dos chips: un puente norte o un concentrador de controlador de memoria (Memory Controller Hub, MCH), que sirve a los dispositivos centrales y contiene controladores para la memoria principal, el bus de gráficos, el bus del sistema y el bus de memoria, y un puente sur (puente sur) o concentrador de controladores de E/S (ICH), que contiene controladores para dispositivos de E/S y estándares dispositivos periféricos.

Diagrama funcional de una computadora - Según su finalidad computadora - Este es un dispositivo universal para trabajar con información. Según los principios de su diseño, una computadora es un modelo de una persona que trabaja con información.

Computadora personal(PC) es una computadora diseñada para servir a una estación de trabajo. Sus características pueden diferir de las computadoras centrales, pero funcionalmente es capaz de realizar operaciones similares. Según el método de funcionamiento, se distinguen los modelos de PC de escritorio (sobremesa), portátiles (portátil y portátil) y de bolsillo (palmtop).

Hardware. Dado que la computadora proporciona las tres clases de métodos de información para trabajar con datos (hardware, software y natural), se acostumbra hablar de un sistema informático como si consta de hardware y software que trabajan juntos. Los componentes que componen el hardware de una computadora se llaman hardware. Realizan todo el trabajo físico con los datos: registro, almacenamiento, transporte y transformación, tanto en forma como en contenido, y también los presentan en una forma conveniente para la interacción con los naturales. métodos de información persona.

La totalidad del hardware de una computadora se denomina configuración de hardware.

Software. Los programas pueden estar en dos estados: activo y pasivo. En estado pasivo, el programa no funciona y parece datos cuyo contenido es información. En este estado, el contenido del programa puede ser "leído" por otros programas, como se leen y modifican los libros. Desde allí podrás conocer el propósito del programa y cómo funciona. En estado pasivo, los programas se crean, editan, almacenan y transportan. El proceso de creación y edición de programas se llama programación.

Cuando un programa está en estado activo, el contenido de sus datos se considera comandos según los cuales opera el hardware de la computadora. Para cambiar el orden de su funcionamiento, basta con interrumpir la ejecución de un programa e iniciar la ejecución de otro que contenga un conjunto diferente de comandos.

El conjunto de programas almacenados en una computadora lo forma. software. El conjunto de programas preparados para su funcionamiento se denomina software instalado. El conjunto de programas que se ejecutan en un momento u otro se denomina configuración de software.

Dispositivo informático. Cualquier computadora (incluso la más grande) consta de cuatro partes:

• los dispositivos de entrada
• dispositivos de procesamiento de información
• dispositivos de almacenamiento
• Dispositivos de salida de información.

Estructuralmente, estas partes se pueden combinar en un estuche del tamaño de un libro, o cada parte puede constar de varios dispositivos bastante voluminosos.

Configuración básica del hardware de la PC. La configuración básica de hardware de una computadora personal es el conjunto mínimo de hardware suficiente para comenzar a trabajar con una computadora. Con el tiempo, el concepto de configuración básica cambia gradualmente.

Muy a menudo, una computadora personal consta de los siguientes dispositivos:

• Unidad del sistema
• Monitor
• Teclado

Además, se pueden conectar otros dispositivos de entrada y salida, por ejemplo altavoces de sonido, impresora, escáner...

Unidad del sistema- bloque principal sistema informático. Contiene dispositivos que se consideran internos. Los dispositivos conectados externamente a la unidad del sistema se consideran externos. El término equipo periférico también se utiliza para dispositivos externos.
Monitor- un dispositivo para la reproducción visual de símbolos y información gráfica. Sirve como dispositivo de salida. Para las PC de escritorio, los monitores más comunes hoy en día son los basados ​​en tubos de rayos catódicos. Se parecen vagamente a los televisores domésticos.
Teclado- un dispositivo de teclado diseñado para controlar el funcionamiento de una computadora e ingresar información en ella. La información se ingresa en forma de datos de caracteres alfanuméricos.
Ratón- dispositivo de control gráfico.

Dispositivos internos de una computadora personal.
Los dispositivos ubicados en la unidad del sistema se consideran internos. Se puede acceder a algunos de ellos desde el panel frontal, lo que resulta práctico para realizar cambios rápidos. medios de información, como los disquetes magnéticos. Los conectores de algunos dispositivos están ubicados en la pared trasera y se utilizan para conectar equipos periféricos. No se proporciona acceso a algunos dispositivos de la unidad del sistema; no es necesario para el funcionamiento normal.

UPC. El microprocesador es el chip principal de una computadora personal. Todos los cálculos se realizan en él. La principal característica del procesador es la frecuencia del reloj (medida en megahercios, MHz). Cuanto mayor sea la velocidad del reloj, mayor será el rendimiento del procesador. Así, por ejemplo, a una frecuencia de reloj de 500 MHz, el procesador puede cambiar su
estado 500 millones de veces. Para la mayoría de las operaciones, un ciclo de reloj no es suficiente, por lo que la cantidad de operaciones que un procesador puede realizar por segundo depende no sólo de la velocidad del reloj, sino también de la complejidad de las operaciones.

El único dispositivo cuya existencia el procesador "conoce desde su nacimiento" es la RAM: trabaja junto con ella. De aquí provienen los datos y los comandos. Los datos se copian en celdas del procesador (llamadas registros) y luego se convierten según el contenido de las instrucciones. Obtendrá una imagen más completa de cómo interactúa el procesador con la RAM en los capítulos sobre fundamentos de programación.

RAM. Se puede considerar la RAM como una amplia gama de celdas que almacenan datos numéricos y comandos mientras la computadora está encendida. La cantidad de RAM se mide en millones de bytes: megabytes (MB).

El procesador puede acceder a cualquier celda de RAM (byte) porque tiene una dirección numérica única. El procesador no puede acceder a un bit individual de RAM, ya que el bit no tiene una dirección. Al mismo tiempo, el procesador puede cambiar el estado de cualquier bit, pero esto requiere varias acciones.

Tarjeta madre. La placa base es la placa de circuito más grande de una computadora personal. Contiene carreteras que conectan el procesador con la RAM, los llamados autobuses. Hay un bus de datos a través del cual el procesador copia datos de las celdas de memoria, un bus de direcciones a través del cual se conecta a celdas de memoria específicas y un bus de comandos a través del cual el procesador recibe comandos de los programas. Todos los demás dispositivos internos de la computadora también están conectados a los buses de la placa base. El funcionamiento de la placa base está controlado por un chipset de microprocesador, el llamado chipset.

Video adaptador. Un adaptador de video es un dispositivo interno instalado en uno de los conectores de la placa base. Las primeras computadoras personales no tenían adaptadores de video. En cambio, se asignó una pequeña área en la RAM para almacenar datos de video. Un chip especial (controlador de video) leía datos de las celdas de memoria de video y controlaba el monitor de acuerdo con ellos.

A medida que mejoraron las capacidades gráficas de las computadoras, el área de la memoria de video se separó de la RAM principal y, junto con el controlador de video, se separó en un dispositivo separado, que se llamó adaptador de video. Los adaptadores de video modernos tienen su propio procesador informático (procesador de video), lo que reduce la carga en el procesador principal al construir imágenes complejas. El procesador de vídeo juega un papel especialmente importante cuando se construye sobre una pantalla plana. Imágenes en 3D. Durante tales operaciones, tiene que realizar una cantidad particularmente grande de cálculos matemáticos.

En algunos modelos de placa base, las funciones del adaptador de video las realizan los chips del chipset; en este caso dicen que el adaptador de video está integrado con tarjeta madre. Si el adaptador de vídeo se fabrica como un dispositivo independiente, se denomina tarjeta de vídeo. El conector de la tarjeta de video está ubicado en la pared trasera. Se le conecta un monitor.

Adaptador de sonido. Inicialmente, las computadoras IBM PC no estaban previstas para trabajar con sonido. Durante los primeros diez años de su existencia, los ordenadores de esta plataforma se consideraban equipos de oficina y prescindían de dispositivos de sonido. Actualmente, las herramientas de audio se consideran estándar. Para hacer esto en tarjeta madre El adaptador de sonido está instalado. Puede integrarse en el chipset de la placa base o implementarse como una tarjeta enchufable separada llamada tarjeta de sonido.
Los conectores de la tarjeta de sonido están ubicados en la pared posterior de la computadora. Para reproducir sonido, se les conectan altavoces o auriculares. Un conector separado está destinado a conectar un micrófono. En la presencia de programa especial esto le permite grabar sonido. También hay un conector (salida de línea) para conectar a equipos externos de grabación o reproducción de sonido (grabadoras, amplificadores, etc.).

Disco duro. Dado que la RAM de la computadora se borra cuando se apaga, se necesita un dispositivo para almacenar datos y programas durante mucho tiempo. Actualmente, para estos fines se utilizan ampliamente los llamados discos duros.
Principio de operación disco duro se basa en registrar cambios en el campo magnético cerca del cabezal de grabación.

Principal parámetro duro La capacidad del disco se mide en gigabytes (miles de millones de bytes), GB. El tamaño medio de un disco duro moderno es de 80 a 160 GB y este parámetro crece constantemente.

Unidad de disquete. Para transportar datos entre ordenadores remotos se utilizan los llamados disquetes. Un disquete estándar (disquete) tiene una capacidad relativamente pequeña de 1,44 MB. Según los estándares modernos, esto es completamente insuficiente para la mayoría de las tareas de almacenamiento y transporte de datos, pero el bajo costo de los medios y la alta disponibilidad han convertido a los disquetes en los medios de almacenamiento más comunes.

Para escribir y leer datos almacenados en disquetes, se utiliza un dispositivo especial: una unidad de disco. El orificio receptor de la unidad está ubicado en el panel frontal de la unidad del sistema.

Lector de CD ROM. Para transportar grandes cantidades de datos es conveniente utilizar CD-ROM. Estos discos sólo pueden leer datos escritos previamente; no se puede escribir en ellos. La capacidad de un disco es de unos 650-700 MB.

Las unidades de CD-ROM se utilizan para leer CD. El parámetro principal de una unidad de CD-ROM es la velocidad de lectura. Se mide en varias unidades. La velocidad de lectura aprobada a mediados de los 80 se toma como una. para CD de música (CD de audio). Las unidades de CD-ROM modernas ofrecen velocidades de lectura de 40x - 52x.
Principal desventaja Unidades de CD ROM- la imposibilidad de grabar discos - se ha superado en los dispositivos modernos de escritura única: el CD-R. También existen dispositivos CD-RW que permiten múltiples grabaciones.

El principio de almacenamiento de datos en CD no es magnético, como en los disquetes, sino óptico.

Puertos de comunicación. Para comunicarse con otros dispositivos, como una impresora, un escáner, un teclado, un mouse, etc., la computadora está equipada con los llamados puertos. Un puerto no es sólo un conector para conectar equipos externos, aunque un puerto termina en un conector. Un puerto es un dispositivo más complejo que un simple conector, ya que tiene sus propios microcircuitos y está controlado por software.

Adaptador de red. Los adaptadores de red son necesarios para que las computadoras puedan comunicarse entre sí. Este dispositivo garantiza que el procesador no envíe una nueva porción de datos al puerto externo hasta que el adaptador de red de una computadora vecina haya copiado la porción anterior. Después de esto, el procesador recibe una señal de que los datos han sido recopilados y se pueden enviar otros nuevos. Así se produce la transferencia.

Cuando un adaptador de red “aprende” de un adaptador vecino que tiene un dato, lo copia a sí mismo y luego verifica si está dirigido a él. En caso afirmativo, los pasa al procesador. Si no, los coloca en el puerto de salida, desde donde los recogerá el adaptador de red del siguiente ordenador vecino. Así es como los datos se mueven entre computadoras hasta llegar al destinatario.
Los adaptadores de red se pueden integrar en la placa base, pero generalmente se instalan por separado, en forma de tarjetas adicionales llamadas tarjetas de red.

Los ordenadores electrónicos suelen clasificarse según una serie de características, en particular: funcionalidad y la naturaleza de las tareas a resolver, según el método de organización proceso computacional, por características arquitectónicas y potencia informática.

Según la funcionalidad y la naturaleza de las tareas a resolver, se distinguen las siguientes:

Computadoras universales (de uso general);

Computadoras orientadas a problemas;

Computadoras especializadas.

Ordenadores centrales están diseñados para resolver una amplia variedad de problemas técnicos y de ingeniería, caracterizados por la complejidad de los algoritmos y el gran volumen de datos procesados.

Computadoras orientadas a problemas están diseñados para resolver una gama más reducida de tareas relacionadas con el registro, acumulación y procesamiento de pequeñas cantidades de datos.

Computadoras especializadas se utilizan para resolver una gama limitada de problemas (microprocesadores y controladores que realizan funciones de control para dispositivos técnicos).

A modo de organización del proceso informático. Las computadoras se dividen en monoprocesador y multiprocesador, así como secuenciales y paralelas.

Un solo procesador. La computadora tiene un procesador central y todas las operaciones informáticas y las operaciones para controlar los dispositivos de entrada/salida se llevan a cabo en este procesador.

Multiprocesador. El ordenador contiene varios procesadores entre los cuales se redistribuyen funciones para organizar el proceso informático y gestionar los dispositivos de entrada/salida de información.

Coherente. Funcionan en modo de programa único, cuando la computadora está diseñada de tal manera que solo puede ejecutar un programa y todos sus recursos se utilizan únicamente en interés del programa que se está ejecutando.

Paralelo. Funcionan en modo multiprograma, cuando se ejecutan varios programas de usuario en la computadora y se comparten recursos entre estos programas, asegurando su ejecución paralela.

Según las características arquitectónicas y la potencia informática, se distinguen:

Consideremos el esquema para clasificar las computadoras según este criterio (Fig. 1).

Figura 1. Clasificación de ordenadores según características arquitectónicas.

y potencia informática.

Supercomputadoras- Estas son las computadoras más potentes en términos de velocidad y rendimiento. Las supercomputadoras incluyen “Cray” e “IBM SP2” (EE. UU.). Se utilizan para resolver problemas y modelados informáticos a gran escala, para cálculos complejos en aerodinámica, meteorología, física de altas energías y también se utilizan en el sector financiero.

Grandes máquinas o mainframes. Las computadoras centrales se utilizan en el sector financiero, el complejo de defensa y se utilizan para dotar de personal a los centros informáticos departamentales, territoriales y regionales.

Computadoras medianas ampliamente utilizado para controlar procesos de producción tecnológicos complejos.

Miniordenador Diseñados para su uso como sistemas informáticos de control y servidores de red.

Microordenador- Son ordenadores que utilizan un microprocesador como unidad central de procesamiento. Estos incluyen microcomputadoras integradas (integradas en varios equipos, equipos o dispositivos) y computadoras personales (PC).

Computadoras personales. Se ha desarrollado rápidamente en los últimos 20 años. Una computadora personal (PC) está diseñada para servir a una sola estación de trabajo y puede satisfacer las necesidades de pequeñas empresas y particulares. Con la llegada de Internet, la popularidad de las PC ha aumentado significativamente, ya que con una computadora personal se puede utilizar información científica, de referencia, educativa y de entretenimiento.

Las computadoras personales incluyen PC de escritorio y portátiles. Las computadoras portátiles incluyen Notebook (bloc de notas o Computadora portátil) y computadoras personales de bolsillo (Computadoras personales de mano - PC de mano, Asistentes personales digitales - PDA y Palmtop).

Ordenadores integrados. Computadoras que se utilizan en diversos dispositivos, sistemas y complejos para implementar funciones específicas. Por ejemplo, diagnóstico de automóviles.

Desde 1999, se utiliza un estándar de certificación internacional, la especificación PC99, para clasificar las PC. Según esta especificación, las PC se dividen en los siguientes grupos:

· PC de masas (PC de consumo);

· PC empresariales (PC de oficina);

· PC portátiles (PC móviles);

· estaciones de trabajo (WorkStation);

· PC de entretenimiento (Entertaiment PC).

La mayoría de las PC son masivo e incluir un conjunto de hardware estándar (mínimo requerido). Este conjunto incluye: unidad del sistema, pantalla, teclado, mouse. Si es necesario, este conjunto se puede complementar fácilmente con otros dispositivos a petición del usuario, por ejemplo, una impresora.

PC empresariales Incluir un mínimo de herramientas gráficas y de reproducción de sonido.

PC portátiles difieren en la presencia de medios de comunicación de acceso remoto.

Estaciones de trabajo cumplir con los mayores requisitos de capacidad de memoria de los dispositivos de almacenamiento de datos.

PC de entretenimiento centrado en gráficos de alta calidad y reproducción de sonido.

Por caracteristicas de diseño Las PC se dividen en:

· estacionario (escritorio, Escritorio);

portátil:

· portátil (portátil);

· cuadernos;

· bolsillo (Palmtop).

Para estudiar eficazmente la tecnología informática aplicada, es extremadamente importante tener una comprensión clara del hardware y software de la computadora. La composición de la tecnología informática se llama. configuración . Hardware y software La tecnología informática generalmente se considera por separado. En consecuencia, consideran por separado Configuración de hardware y ellos software configuración Este principio de separación es de particular importancia para la informática, ya que muy a menudo la solución a los mismos problemas la pueden proporcionar tanto el hardware como el software. Los criterios para elegir una solución de hardware o software son el rendimiento y la eficiencia. Por ejemplo, escriba el texto en un editor de texto o utilice un escáner.

Configuración básica del hardware de una computadora personal.

Computadora personal – universal sistema tecnico. Su configuración (composición del equipo) se puede cambiar de manera flexible según sea necesario. Sin embargo, existe un concepto Configuracion basica , que se considera típico, es decir conjunto mínimo de equipos. La computadora generalmente viene con este kit. El concepto de configuración básica puede variar. Actualmente considerado en la configuración básica. siguientes dispositivos(Figura 2.1.):

Echemos un vistazo a sus partes.

al principal medios tecnicos computadora personal incluyen:

- unidad del sistema;

- monitor (pantalla);

- teclado.

Además, puede conectarse a su computadora, por ejemplo:

- Impresora;

- ratón;

- escáner;

- módem (modulador-demodulador);

- trazador;

- palanca de mando, etc.

Unidad del sistema

La unidad del sistema es la unidad principal dentro de la cual se instalan los componentes más importantes. Unidad del sistema (ver Fig. 2.2., 2.3.) es un caso en el que se encuentra casi todo el hardware de la computadora.

Los dispositivos ubicados dentro de la unidad del sistema se llaman interno, y los dispositivos conectados a él externamente se llaman externo. Externo dispositivos adicionales, también llamado periférico.

Organización interna unidad del sistema:

· tarjeta madre;

· Disco duro:

· unidad de disquete;

· Lector de CD ROM;

· tarjeta de video (adaptador de video);

· tarjeta de sonido;

· unidad de poder.

Sistemas ubicados en tarjeta madre:

· RAM;

· procesador;

· Chip ROM y sistema BIOS;

· interfaces de bus, etc.

Los discos magnéticos, a diferencia de la RAM, están diseñados para el almacenamiento permanente de información.

Hay dos tipos de discos magnéticos utilizados en las PC:

· disco duro no extraíble (disco duro);

· discos extraíbles y flexibles (disquetes).

El disco duro está diseñado para el almacenamiento permanente de información que se utiliza con mayor o menor frecuencia en el trabajo: programas del sistema operativo, compiladores de lenguajes de programación, programas de servicio (mantenimiento), programas de aplicaciones de usuario, documentos de texto, archivos de bases de datos, etc. El disco duro es significativamente superior a los disquetes en términos de velocidad de acceso, capacidad y confiabilidad.

3. Tecnología informática 1

3.1 Historia del desarrollo de la tecnología informática 1

3.2 Métodos para clasificar computadoras 3

3.3 Otros tipos de clasificación informática 5

3.4 Composición del sistema informático 7

3.4.1 Hardware 7

3.4.2 Software 7

3.5 Clasificación del software de aplicación 9

3.6 Clasificación del software de utilidad 12

3.7 El concepto de información y soporte matemático para sistemas informáticos 13

3.8 Resumiendo 13

1. Ingeniería Informática

   1. Historia del desarrollo de la tecnología informática.

sistema informático, computadora

Encontrar medios y métodos para la mecanización y automatización del trabajo es una de las principales tareas de las disciplinas técnicas. La automatización del trabajo con datos tiene sus propias características y diferencias con respecto a la automatización de otros tipos de trabajo. Para esta clase de tareas se utilizan tipos especiales de dispositivos, la mayoría de los cuales son dispositivos electrónicos. Se denomina conjunto de dispositivos diseñados para el procesamiento automático o automatizado de datos. tecnologia computacional, Un conjunto específico de dispositivos y programas interactivos diseñados para servir a un área de trabajo se llama sistema informático. El dispositivo central de la mayoría de los sistemas informáticos es computadora.

Una computadora es un dispositivo electrónico diseñado para automatizar la creación, almacenamiento, procesamiento y transporte de datos.

Como funciona la computadora

Al definir una computadora como dispositivo, indicamos la característica definitoria: electrónico. Sin embargo, los cálculos automáticos no siempre se realizaron mediante dispositivos electrónicos. También se conocen dispositivos mecánicos que pueden realizar cálculos de forma automática.

analizando historia temprana tecnología informática, algunos investigadores extranjeros a menudo llaman al dispositivo de cálculo mecánico un antiguo predecesor de la computadora ábaco. El enfoque "desde el ábaco" indica un profundo error metodológico, ya que el ábaco no tiene la propiedad de realizar cálculos automáticamente, pero para una computadora es decisivo.

El ábaco es el primer dispositivo de conteo mecánico, originalmente una placa de arcilla con ranuras en las que se colocaban piedras que representaban números. La aparición del ábaco se remonta al cuarto milenio antes de Cristo. mi. Se considera que el lugar de origen es Asia. En la Edad Media en Europa, el ábaco fue reemplazado por tablas gráficas. Los cálculos que los utilizan se denominaron contando con las líneas, y En Rusia, en los siglos XVI y XVII, apareció un invento mucho más avanzado, que todavía se utiliza hoy en día: Ábaco ruso.

Al mismo tiempo, conocemos muy bien otro dispositivo que puede realizar cálculos automáticamente: un reloj. Independientemente del principio de funcionamiento, todos los tipos de relojes (de arena, de agua, mecánicos, eléctricos, electrónicos, etc.) tienen la capacidad de generar movimientos o señales a intervalos regulares y registrar los cambios resultantes, es decir, realizar una suma automática de señales. o movimientos. Este principio se puede observar incluso en relojes de sol que contienen únicamente un dispositivo de registro (el papel de generador lo desempeña el sistema Tierra-Sol).

Un reloj mecánico es un dispositivo que consta de un dispositivo que realiza movimientos automáticamente a intervalos regulares específicos y un dispositivo para registrar estos movimientos. Se desconoce el lugar donde aparecieron los primeros relojes mecánicos. Los primeros ejemplares datan del siglo XIV y pertenecen a monasterios. (reloj de la torre).

En el corazón de cualquier computadora moderna, como en reloj electrónico, mentiras generador de reloj, Generar señales eléctricas a intervalos regulares que se utilizan para controlar todos los dispositivos de un sistema informático. En realidad, controlar una computadora se reduce a gestionar la distribución de señales entre dispositivos. Dicho control se puede realizar de forma automática (en este caso hablamos de control del programa) o manualmente utilizando controles externos: botones, interruptores, puentes, etc. (en los primeros modelos). En las computadoras modernas, el control externo está en gran medida automatizado mediante interfaces lógicas de hardware especiales a las que se conectan dispositivos de control y entrada de datos (teclado, mouse, joystick y otros). A diferencia del control de programa, dicho control se denomina interactivo.

Fuentes mecánicas

El primer dispositivo automático del mundo para realizar la operación de suma se creó sobre la base de un reloj mecánico. En 1623 fue desarrollado por Wilhelm Schickard, profesor del Departamento de Lenguas Orientales de la Universidad de Tubinga (Alemania). Hoy en día se ha reproducido un modelo funcional del dispositivo a partir de los dibujos y se ha confirmado su funcionalidad. El propio inventor llamó en sus cartas a la máquina “reloj sumador”.

En 1642, el mecánico francés Blaise Pascal (1623-1662) desarrolló un dispositivo sumador más compacto, que se convirtió en la primera calculadora mecánica producida en masa del mundo (principalmente para las necesidades de los prestamistas y cambistas parisinos). En 1673, el matemático y filósofo alemán G. W. Leibniz (1646-1717) creó una calculadora mecánica que podía realizar operaciones de multiplicación y división repitiendo operaciones de suma y resta una y otra vez.

Durante el siglo XVIII, conocido como el Siglo de las Luces, aparecieron nuevos modelos más avanzados, pero el principio de control mecánico de las operaciones informáticas siguió siendo el mismo. La idea de programar operaciones computacionales surgió de la misma industria relojera. El reloj de la torre del antiguo monasterio estaba configurado para encender un mecanismo conectado a un sistema de campanas en un momento determinado. Tal programación fue difícil - La misma operación se realizó al mismo tiempo.

La idea de una programación flexible de dispositivos mecánicos utilizando cinta de papel perforada se realizó por primera vez en 1804 en el telar Jacquard, después de lo cual solo faltaba un paso para control de programa operaciones computacionales.

Este paso lo dio el destacado matemático e inventor inglés Charles Babbage (1792-1871) en su máquina analítica, que, desafortunadamente, el inventor nunca construyó completamente durante su vida, pero fue reproducida en nuestros días según sus dibujos, por lo que que hoy tenemos derecho a hablar del motor analítico como un dispositivo realmente existente. Una característica especial del motor analítico fue que fue el primero en implementar el principio de dividir la información en comandos y datos. El motor analítico contenía dos grandes unidades: un "almacén" y un "molino". Los datos se ingresaban en la memoria mecánica del "almacén" mediante la instalación de bloques de engranajes y luego se procesaban en el "molino" mediante comandos que se ingresaban desde tarjetas perforadas (como en un telar Jacquard).

Los investigadores de la obra de Charles Babbage ciertamente destacan el papel especial de la condesa Augusta Ada Lovelace (1815-1852), hija del famoso poeta Lord Byron, en el desarrollo del proyecto de la máquina analítica. Fue ella a quien se le ocurrió la idea de utilizar tarjetas perforadas para programar operaciones computacionales (1843). En particular, en una de sus cartas escribió: “La máquina analítica teje patrones algebraicos de la misma manera que un telar reproduce flores y hojas”. A Lady Ada se la puede llamar con razón la primera programadora del mundo. Hoy uno de los lenguajes de programación famosos lleva su nombre.

La idea de Charles Babbage de consideración separada equipos Y datos resultó ser inusualmente fructífero. En el siglo 20 fue desarrollado en los principios de John von Neumann (1941), y hoy en día en el cálculo del principio de consideración separada programas Y datos es muy importante. Se tiene en cuenta tanto a la hora de desarrollar las arquitecturas de los ordenadores modernos como a la hora de desarrollar programas informáticos.

fuentes matemáticas

Si pensamos en los objetos con los que trabajaron los primeros predecesores mecánicos de la computadora electrónica moderna, debemos admitir que los números se representaban en forma de movimientos lineales de mecanismos de cadena y cremallera, o en forma de movimientos angulares de mecanismos de engranajes y palancas. . En ambos casos se trataba de movimientos que no podían dejar de afectar las dimensiones de los dispositivos y la velocidad de su funcionamiento. Solo la transición de la grabación de movimientos a la grabación de señales permitió reducir significativamente las dimensiones y aumentar el rendimiento. Sin embargo, en el camino hacia este logro fue necesario introducir varios principios y conceptos más importantes.

Sistema binario de Leibniz. En los dispositivos mecánicos, los engranajes pueden tener bastantes posiciones fijas y, más importante, diferente entre constituyen provisiones. El número de dichas posiciones es al menos igual al número de dientes del engranaje. En electricidad y dispositivos electrónicos estamos hablando acerca de no sobre el registro provisiones elementos estructurales y sobre el registro. estados elementos del dispositivo. tan estable y distinguible Sólo hay dos estados: encendido - apagado; abrir cerrado; cargado - descargado, etc. Por lo tanto, el sistema decimal tradicional utilizado en las calculadoras mecánicas es inconveniente para los dispositivos informáticos electrónicos.

La posibilidad de representar cualquier número (y no sólo números) con dígitos binarios fue propuesta por primera vez por Gottfried Wilhelm Leibniz en 1666. Llegó al sistema numérico binario mientras investigaba el concepto filosófico de unidad y la lucha de los opuestos. Un intento de imaginar el universo en forma de una interacción continua de dos principios ("negro" y "blanco", masculino y femenino, bueno y malo) y aplicar los métodos de la matemática "pura" a su estudio impulsó a Leibniz a estudiar las propiedades de la representación binaria de datos. Hay que decir que Leibniz ya había pensado en la posibilidad de utilizar un sistema binario en un dispositivo informático, pero como no era necesario para dispositivos mecánicos, no utilizó los principios del sistema binario en su calculadora (1673). .

Lógica matemática de George Boole, Hablando sobre el trabajo de George Boole, los investigadores de la historia de la tecnología informática ciertamente enfatizan que este destacado científico inglés de la primera mitad del siglo XIX fue autodidacta. Quizás fue precisamente debido a la falta de una educación “clásica” (como se entendía en ese momento) que George Boole introdujo cambios revolucionarios en la lógica como ciencia.

Mientras estudiaba las leyes del pensamiento, aplicó un sistema de notación formal y reglas en lógica cercano al matemático. Posteriormente este sistema llamado álgebra lógica o Álgebra de Boole. Las reglas de este sistema son aplicables a una amplia variedad de objetos y sus grupos. (conjuntos, según la terminología del autor). El objetivo principal del sistema, tal como lo concibió J. Boole, era codificar declaraciones lógicas y reducir las estructuras de conclusiones lógicas a expresiones simples cercanas en forma a fórmulas matemáticas. El resultado de una evaluación formal de una expresión lógica es uno de dos valores lógicos: verdadero o mentir.

La importancia del álgebra lógica fue ignorada durante mucho tiempo, ya que sus técnicas y métodos no contenían beneficios prácticos para la ciencia y la tecnología de esa época. Sin embargo, cuando surgió la posibilidad fundamental de crear tecnología informática de forma electrónica, las operaciones introducidas por Boole resultaron muy útiles. Inicialmente se centran en trabajar sólo con dos entidades: verdadero Y mentir. No es difícil entender por qué fueron útiles para trabajar con código binario, que en las computadoras modernas también está representado por solo dos señales: cero Y unidad.

No todo el sistema de George Boole (ni todas las operaciones lógicas que propuso) se utilizaron para crear computadoras electrónicas, pero sí cuatro operaciones principales: Y (intersección), O (Unión), NO (apelar) y EXCLUSIVO O - forman la base del funcionamiento de todo tipo de procesadores en las computadoras modernas.

Arroz. 3.1. Operaciones básicas de álgebra lógica.

Clasificación de equipos informáticos.

1. Hardware

La composición de un sistema informático se llama configuración. El hardware y el software de la computadora generalmente se consideran por separado. En consecuencia, la configuración de hardware de los sistemas informáticos y su configuración de software se consideran por separado. Este principio de separación es de particular importancia para la informática, ya que muy a menudo la solución a los mismos problemas la pueden proporcionar tanto el hardware como el software. Los criterios para elegir una solución de hardware o software son el rendimiento y la eficiencia. Generalmente se acepta que las soluciones de hardware son, en promedio, más caras, pero la implementación soluciones de software requiere personal más altamente calificado.

A hardware Los sistemas informáticos incluyen dispositivos e instrumentos que forman una configuración de hardware. Computadoras modernas y los sistemas informáticos tienen un diseño modular en bloques: la configuración de hardware necesaria para la ejecución tipos específicos trabajo, que se puede ensamblar a partir de unidades y bloques prefabricados.

Los principales componentes de hardware de un sistema informático son: memoria, procesador central y dispositivos periféricos, que están interconectados por un bus del sistema (Fig. 1). La memoria principal está diseñada para almacenar programas y datos en formato binario y está organizada en la forma de una serie ordenada de celdas, cada una de las cuales tiene una dirección digital única. Normalmente, el tamaño de la celda es de 1 byte. Operaciones típicas en la memoria principal: leer y escribir el contenido de una celda con una dirección específica.

2. Procesador central

La unidad central de procesamiento es la unidad central de una computadora que realiza operaciones de procesamiento de datos y controla los dispositivos periféricos de la computadora. El procesador central incluye:

Dispositivo de control: organiza el proceso de ejecución del programa y coordina la interacción de todos los dispositivos del sistema informático durante su funcionamiento;

Unidad aritmético-lógica: realiza operaciones aritméticas y lógicas con datos: suma, resta, multiplicación, división, comparación, etc.;

Dispositivo de almacenamiento - es memoria interna procesador, que consta de registros; cuando se utiliza, el procesador realiza cálculos y almacena resultados intermedios; Para acelerar el trabajo con RAM, se utiliza la memoria caché, en la que se bombean los comandos y datos de la RAM necesarios para el procesador para operaciones posteriores;

Generador de reloj: genera impulsos eléctricos que sincronizan el funcionamiento de todos los nodos de la computadora.

El procesador central realiza diversas operaciones con datos utilizando celdas especializadas para almacenar variables clave y resultados temporales: registros internos. Los registros se dividen en dos tipos (Fig. 2.):

Registros de propósito general: utilizados para el almacenamiento temporal de variables locales clave y resultados intermedios de cálculos, incluyen registros de datos y registros de puntero; función principal es proporcionar acceso rapido a datos utilizados con frecuencia (normalmente sin acceso a la memoria).

Registros especializados: se utilizan para controlar el funcionamiento del procesador, los más importantes son: el registro de instrucciones, el puntero de la pila, el registro de banderas y el registro que contiene información sobre el estado del programa.

El programador puede utilizar registros de datos a su discreción para almacenar temporalmente cualquier objeto (datos o direcciones) y realizar las operaciones necesarias con ellos. Los registros de índice, al igual que los registros de datos, se pueden utilizar de cualquier forma; su objetivo principal es almacenar índices o desplazamientos de datos e instrucciones desde el principio de la dirección base (al recuperar operandos de la memoria). La dirección base puede estar en los registros base.

Los registros de segmento son un elemento crítico de la arquitectura del procesador, ya que proporcionan direccionamiento de un espacio de direcciones de 20 bits mediante operandos de 16 bits. Registros de segmento principal: CS - registro de segmento de código; DS - registro de segmento de datos; SS es el registro del segmento de la pila, ES es el registro del segmento adicional. Se accede a la memoria a través de segmentos: formaciones lógicas superpuestas en cualquier parte del espacio de direcciones físicas. La dirección inicial del segmento, dividida por 16 (sin el dígito hexadecimal menos significativo) se ingresa en uno de los registros del segmento; después de lo cual se proporciona acceso a la sección de memoria a partir de la dirección de segmento especificada.

La dirección de cualquier celda de memoria consta de dos palabras, una de las cuales determina la ubicación en la memoria del segmento correspondiente y la otra, el desplazamiento dentro de este segmento. El tamaño de un segmento está determinado por la cantidad de datos que contiene, pero nunca puede exceder los 64 KB, que está determinado por el valor de desplazamiento máximo posible. La dirección del segmento del segmento de instrucción se almacena en el registro CS y el desplazamiento del byte direccionado se almacena en el registro de puntero de instrucción IP.

Figura 2. Registros de procesador de 32 bits

Después de cargar el programa, el desplazamiento del primer comando del programa se ingresa en la IP. El procesador, habiéndolo leído de la memoria, aumenta el contenido de IP exactamente en la longitud de esta instrucción (las instrucciones del procesador Intel pueden tener una longitud de 1 a 6 bytes), como resultado de lo cual IP apunta a la segunda instrucción del programa. . Después de ejecutar el primer comando, el procesador lee el segundo de la memoria, aumentando nuevamente el valor de IP. Como resultado, la IP siempre contiene el desplazamiento del siguiente comando: el comando que sigue al que se está ejecutando. El algoritmo descrito se viola sólo al ejecutar instrucciones de salto, llamadas a subrutinas y servicio de interrupción.

La dirección del segmento de datos se almacena en el registro DS, el desplazamiento puede estar en uno de los registros de propósito general. El registro de segmento adicional ES se utiliza para acceder a campos de datos no incluidos en el programa, como el búfer de vídeo o las celdas del sistema. Sin embargo, si es necesario, se puede configurar para uno de los segmentos del programa. Por ejemplo, si un programa trabaja con una gran cantidad de datos, puede proporcionarles dos segmentos y acceder a uno de ellos a través del registro DS y al otro a través del registro ES.

El registro de puntero de pila SP se utiliza como puntero a la parte superior de la pila. Una pila es un área de programa para el almacenamiento temporal de datos arbitrarios. La conveniencia de la pila radica en el hecho de que su área se usa repetidamente, y el almacenamiento de datos en la pila y su recuperación desde allí se realiza mediante los comandos push y pop sin especificar nombres. La pila se utiliza tradicionalmente para almacenar el contenido de los registros utilizados por un programa antes de llamar a una subrutina, que a su vez utilizará los registros del procesador para sus propios fines. El contenido original de los registros se extrae de la pila después de que regresa la subrutina. Otra técnica común es pasar los parámetros necesarios a una subrutina a través de la pila. La subrutina, sabiendo en qué orden se colocan los parámetros en la pila, puede tomarlos de allí y utilizarlos durante su ejecución.

Una característica distintiva de la pila es el orden único en el que se recuperan los datos contenidos en ella: en un momento dado, solo el elemento superior está disponible en la pila, es decir, el último elemento que se cargó en la pila. Al sacar el elemento superior de la pila, el siguiente elemento está disponible. Los elementos de la pila están ubicados en el área de memoria asignada para la pila, comenzando desde la parte inferior de la pila (en su dirección máxima) en direcciones decrecientes sucesivamente. La dirección del elemento superior accesible se almacena en el registro de puntero de pila SP.

Los registros especiales sólo están disponibles en modo privilegiado y son utilizados por el sistema operativo. Controlan varios bloques de caché, memoria principal, dispositivos de entrada/salida y otros dispositivos del sistema informático.

Hay un registro al que se puede acceder tanto en modo privilegiado como de usuario. Este es el registro PSW (Program State Word), que se denomina registro de bandera. El registro de bandera contiene varios bits que necesita el procesador central, los más importantes son los códigos de condición que se utilizan en comparaciones y saltos condicionales, se instalan en cada ciclo de la unidad aritmético-lógica del procesador y reflejan el estado del resultado del anterior. operación. El contenido del registro de bandera depende del tipo de sistema informático y puede incluir campos adicionales que indican: el modo de la máquina (por ejemplo, usuario o privilegiado); bit de seguimiento (que se utiliza para depurar); nivel de prioridad del procesador; estado de habilitación de interrupción. El registro de bandera generalmente se lee en modo usuario, pero algunos campos solo se pueden escribir en modo privilegiado (por ejemplo, el bit que indica modo).

El registro del puntero del comando contiene la dirección del siguiente comando en la cola para su ejecución. Después de seleccionar una instrucción de la memoria, el registro de instrucciones se ajusta y el puntero pasa a la siguiente instrucción. El puntero de instrucción monitoriza el progreso de la ejecución del programa, indicando en cada momento la dirección relativa de la instrucción siguiente a la que se está ejecutando. El registro no es accesible mediante programación; El incremento de dirección lo realiza el microprocesador, teniendo en cuenta la longitud de la instrucción actual. Los comandos para saltar, interrumpir, llamar a subrutinas y regresar de ellas cambian el contenido del puntero, realizando así transiciones a los puntos requeridos en el programa.

El registro acumulador se utiliza en la gran mayoría de instrucciones. Los comandos de uso frecuente que utilizan este registro tienen un formato abreviado.

Para procesar información, los datos generalmente se transfieren desde celdas de memoria a registros de propósito general, realizando una operación. procesador central y transferir los resultados a la memoria principal. Los programas se almacenan como una secuencia de instrucciones de máquina que deben ser ejecutadas por el procesador central. Cada comando consta de un campo de operación y campos de operandos: los datos sobre los que se realiza la operación. Un conjunto de instrucciones de máquina se llama lenguaje de máquina. Los programas se ejecutan de la siguiente manera. La instrucción de la máquina señalada por el contador del programa se lee de la memoria y se copia en el registro de instrucciones, donde se decodifica y luego se ejecuta. Después de su ejecución, el contador del programa apunta al siguiente comando, etc. Estas acciones se denominan ciclo de máquina.

La mayoría de los procesadores centrales tienen dos modos de funcionamiento: modo kernel y modo usuario, que se especifica mediante un bit en la palabra de estado del procesador (registro de bandera). Si el procesador se ejecuta en modo kernel, puede ejecutar todas las instrucciones del conjunto de instrucciones y utilizar todas las capacidades del hardware. El sistema operativo se ejecuta en modo kernel y proporciona acceso a todo el hardware. Los programas de usuario se ejecutan en modo de usuario, lo que permite la ejecución de muchos comandos pero sólo deja disponible una parte del hardware.

Para comunicarse con el sistema operativo, un programa de usuario debe emitir una llamada al sistema que ingresa al modo kernel y activa las funciones del sistema operativo. El comando trap (interrupción emulada) cambia el modo operativo del procesador del modo usuario al modo kernel y transfiere el control al sistema operativo. Una vez finalizado el trabajo, el control vuelve al programa de usuario, al comando que sigue a la llamada al sistema.

En las computadoras, además de las instrucciones para ejecutar llamadas al sistema, existen interrupciones que son llamadas por el hardware para advertir de situaciones de excepción, como un intento de dividir por cero o un desbordamiento de coma flotante. En todos estos casos, el control pasa al sistema operativo, que debe decidir qué hacer a continuación. A veces es necesario finalizar el programa con un mensaje de error, a veces puede ignorarlo (por ejemplo, si un número pierde significado, se puede establecer en cero) o transferir el control al programa mismo para manejar ciertos tipos de condiciones.

Según la disposición de los dispositivos con respecto al procesador central, se distinguen los dispositivos internos y externos. Los externos, por regla general, son la mayoría de los dispositivos de entrada/salida (también llamados dispositivos periféricos) y algunos dispositivos diseñados para el almacenamiento de datos a largo plazo.

La coordinación entre nodos y bloques individuales se realiza mediante dispositivos lógicos de hardware de transición llamados interfaces de hardware. Los estándares para las interfaces de hardware en informática se denominan protocolos: un conjunto de condiciones técnicas que deben proporcionar los desarrolladores de dispositivos para coordinar con éxito su funcionamiento con otros dispositivos.

Numerosas interfaces presentes en la arquitectura de cualquier sistema informático se pueden dividir en dos grandes grupos: serie y paralelo. A través de una interfaz en serie, los datos se transmiten secuencialmente, bit a bit, y a través de una interfaz paralela, simultáneamente en grupos de bits. El número de bits involucrados en un mensaje está determinado por el ancho de la interfaz; por ejemplo, las interfaces paralelas de ocho bits transmiten un byte (8 bits) por ciclo.

Las interfaces paralelas suelen ser más complejas que las interfaces serie, pero proporcionan un mayor rendimiento. Se utilizan donde la velocidad de transferencia de datos es importante: para conectar dispositivos de impresión, dispositivos de entrada de gráficos, dispositivos para registrar datos en medios externos, etc. El rendimiento de las interfaces paralelas se mide en bytes por segundo (byte/s; KB/s; MB/s).

Dispositivo interfaces seriales más fácil; Como regla general, no necesitan sincronizar el funcionamiento de los dispositivos transmisores y receptores (por eso a menudo se les llama interfaces asíncronas), pero su rendimiento es menor y el coeficiente acción útil abajo. Dado que el intercambio de datos a través de dispositivos en serie no se realiza en bytes, sino en bits, su rendimiento se mide en bits por segundo (bps, Kbps, Mbps). A pesar de la aparente simplicidad de convertir unidades de velocidad de transmisión en serie en unidades de velocidad de transferencia de datos en paralelo mediante división mecánica por 8, dicha conversión no se realiza porque no es correcta debido a la presencia de datos de servicio. Como último recurso, ajustado a los datos del servicio, en ocasiones la velocidad de los dispositivos de serie se expresa en caracteres por segundo o en caracteres por segundo (s/s), pero este valor no es de carácter técnico, sino de referencia, de consumo.

Las interfaces en serie se utilizan para conectar dispositivos lentos (los dispositivos de impresión más simples de baja calidad: dispositivos para entrada y salida de información de caracteres y señales, sensores de control, dispositivos de comunicación de bajo rendimiento, etc.), así como en los casos en que no hay restricciones significativas en la duración del intercambio de datos (cámaras digitales).

El segundo componente principal de una computadora es la memoria. El sistema de memoria está construido en forma de una jerarquía de capas (Fig. 3). La capa superior consta de los registros internos del procesador central. Los registros internos proporcionan una capacidad de almacenamiento de 32 x 32 bits en un procesador de 32 bits y de 64 x 64 bits en un procesador de 64 bits, lo que es menos de un kilobyte en ambos casos. Los propios programas pueden gestionar registros (es decir, decidir qué almacenar en ellos) sin intervención del hardware.

Fig. 3. Típico estructura jerarquica memoria

La siguiente capa contiene la memoria caché, que está controlada principalmente por el hardware. La RAM se divide en líneas de caché, normalmente de 64 bytes, con direcciones de 0 a 63 en la línea cero, de 64 a 127 en la línea uno, etc. Las líneas de caché utilizadas con más frecuencia se almacenan en una memoria caché de alta velocidad ubicada dentro o muy cerca de la CPU. Cuando un programa necesita leer una palabra de la memoria, el chip de caché verifica si la línea deseada está en el caché. Si este es el caso, entonces se produce un acceso efectivo a la memoria caché, la solicitud se satisface completamente desde la memoria caché y la solicitud de memoria no se envía al bus. Un acceso exitoso a la caché generalmente requiere alrededor de dos ciclos de reloj, mientras que uno fallido resulta en un acceso a la memoria con una pérdida significativa de tiempo. La memoria caché tiene un tamaño limitado debido a su alto coste. Algunas máquinas tienen dos o incluso tres niveles de caché, siendo cada uno más lento y más grande que el anterior.

Luego viene la RAM (RAM - memoria de acceso aleatorio, RAM en inglés, Memoria de acceso aleatorio - memoria de acceso aleatorio). Esta es el área de trabajo principal del dispositivo de almacenamiento del sistema informático. Todas las solicitudes de la CPU que la memoria caché no puede satisfacer se envían a la memoria principal para su procesamiento. Cuando se ejecutan varios programas en una computadora, es recomendable colocar programas complejos en la RAM. Proteger los programas entre sí y moverlos en la memoria se logra equipando la computadora con dos registros especializados: el registro base y el registro límite.

En el caso más simple (Fig. 4.a), cuando el programa comienza a funcionar, el registro base se carga con la dirección del inicio del módulo del programa ejecutable, y el registro de límite indica cuánto ocupa el módulo del programa ejecutable junto con los datos. Al recuperar un comando de la memoria, el hardware verifica el contador del programa y, si es menor que el registro límite, le agrega el valor del registro base y transfiere la suma a la memoria. Cuando un programa quiere leer una palabra de datos (por ejemplo, de la dirección 10000), el hardware agrega automáticamente el contenido del registro base (por ejemplo, 50000) a esa dirección y transfiere la suma (60000) a la memoria. El registro base permite que un programa haga referencia a cualquier parte de la memoria siguiendo la dirección almacenada en ella. Además, el registro de límite evita que el programa acceda a cualquier parte de la memoria después del programa. Así, con la ayuda de este esquema se resuelven ambos problemas: protección y movimiento de programas.

Como resultado de la verificación y transformación de los datos, la dirección generada por el programa y denominada dirección virtual se traduce en una dirección utilizada por la memoria y denominada dirección física. El dispositivo que realiza la verificación y conversión se denomina unidad de gestión de memoria o administrador de memoria (MMU, Memory Management Unit). El administrador de memoria está ubicado en el circuito del procesador o cerca de él, pero lógicamente está ubicado entre el procesador y la memoria.

Un administrador de memoria más complejo consta de dos pares de registros base y límite. Un par es para texto del programa y el otro par es para datos. El registro de comando y todas las referencias al texto del programa funcionan con el primer par de registros; las referencias a datos utilizan el segundo par de registros. Gracias a este mecanismo, es posible compartir un programa entre varios usuarios mientras se almacena solo una copia del programa en la RAM, lo que se excluye en un esquema simple. Cuando se está ejecutando el programa No. 1, los cuatro registros están ubicados como se muestra en la Fig. 4 (b) a la izquierda, cuando se está ejecutando el programa No. 2, a la derecha. La gestión del administrador de memoria es una función del sistema operativo.

El siguiente en la estructura de la memoria es el disco magnético (disco duro). La memoria de disco es dos órdenes de magnitud más barata que la RAM por bit y de mayor tamaño, pero acceder a los datos ubicados en el disco lleva aproximadamente tres órdenes de magnitud más. La razón de la baja velocidad de un disco duro es el hecho de que el disco es una estructura mecánica. El disco duro consta de una o más placas de metal que giran a una velocidad de 5400, 7200 o 10800 rpm (Fig. 5). La información se registra en placas en forma de círculos concéntricos. Los cabezales de lectura/escritura en cada posición dada pueden leer un anillo en el plato llamado pista. Juntas, las orugas para una determinada posición de la horquilla forman un cilindro.

Cada pista se divide en varios sectores, normalmente 512 bytes por sector. En unidades modernas Los cilindros exteriores contienen más sectores que los interiores. Mover una cabeza de un cilindro a otro tarda aproximadamente 1 ms, y pasar a un cilindro aleatorio tarda entre 5 y 10 ms, dependiendo de la unidad. Cuando el cabezal esté ubicado sobre la pista deseada, debe esperar hasta que el motor gire el disco para que el sector requerido quede debajo del cabezal. Esto tarda entre 5 y 10 ms adicionales, dependiendo de la velocidad de rotación del disco. Cuando un sector está debajo del encabezado, el proceso de lectura o escritura ocurre a velocidades que van desde 5 MB/s (para unidades de baja velocidad) hasta 160 MB/s (para unidades de alta velocidad).

La última capa está ocupada por cinta magnética. Este medio se utilizaba a menudo para crear copias de seguridad espacio o almacenamiento en el disco duro conjuntos grandes datos. Para acceder a la información, la cinta se colocaba en un lector de cinta magnética y luego se rebobinaba hasta el bloque de información solicitado. Todo el proceso duró minutos. La jerarquía de memoria descrita es típica, pero en algunas realizaciones no todos los niveles u otros tipos de ellos pueden estar presentes (por ejemplo, un disco óptico). En cualquier caso, al moverse por la jerarquía de arriba a abajo, el tiempo de acceso aleatorio aumenta significativamente de un dispositivo a otro, y la capacidad crece de manera equivalente al tiempo de acceso.

Además de los tipos descritos anteriormente, muchas computadoras tienen memoria de acceso aleatorio de solo lectura (ROM, Read Only Memory), que no pierde su contenido cuando se apaga el sistema informático. La ROM se programa durante la fabricación y su contenido no se puede cambiar después de eso. En algunas computadoras, la ROM contiene programas de arranque que se utilizan para iniciar la computadora y algunas tarjetas de E/S para controlar dispositivos de bajo nivel.

La ROM borrable eléctricamente (EEPROM, ROM eléctricamente borrable) y la RAM flash (RAM flash) tampoco son volátiles, pero a diferencia de la ROM, su contenido se puede borrar y reescribir. Sin embargo, escribir datos en ellos lleva mucho más tiempo que escribir en la RAM. Por tanto, se utilizan exactamente de la misma forma que las ROM.

Existe otro tipo de memoria: la memoria CMOS, que es volátil y se utiliza para almacenar la fecha y la hora actuales. La memoria funciona con una batería integrada en la computadora y puede contener parámetros de configuración (por ejemplo, indicar desde qué disco duro arrancar).

3. Dispositivos de E/S

Otros dispositivos que interactúan estrechamente con el sistema operativo son los dispositivos de entrada/salida, que constan de dos partes: el controlador y el propio dispositivo. El controlador es un microcircuito (chipset) en una placa que se inserta en un conector, que recibe y ejecuta comandos del sistema operativo.

Por ejemplo, el controlador recibe un comando para leer un sector específico del disco. Para ejecutar el comando, el controlador convierte el número lineal del sector del disco en el número del cilindro, sector y culata. La operación de conversión se complica por el hecho de que los cilindros exteriores pueden tener más sectores que los interiores. Luego, el controlador determina qué cilindro está ubicado arriba este momento cabezal, y da una secuencia de pulsos para mover el cabezal el número requerido de cilindros. Después de lo cual el controlador espera a que gire el disco, colocando el sector requerido debajo del cabezal. Luego, los procesos de lectura y almacenamiento de bits a medida que llegan del disco, los procesos de eliminación del encabezado y cálculo. suma de control. A continuación, el controlador recopila los bits recibidos en palabras y los almacena en la memoria. Para realizar este trabajo, los controladores contienen firmware incorporado.

El dispositivo de E/S en sí tiene una interfaz simple que debe cumplir con el estándar IDE unificado (IDE, Integrated Drive Electronics - interfaz de unidad integrada). Dado que el controlador oculta la interfaz del dispositivo, el sistema operativo solo ve la interfaz del controlador, que puede diferir de la interfaz del dispositivo.

Dado que los controladores de diferentes dispositivos Los dispositivos de E/S difieren entre sí, por lo que para gestionarlos se necesita el software adecuado: los controladores. Por lo tanto, cada fabricante de controladores debe suministrar controladores para los controladores que admite. sistemas operativos. Hay tres formas de instalar el controlador en el sistema operativo:

Reconstruya el kernel con un nuevo controlador y luego reinicie el sistema, que es como funcionan muchos sistemas UNIX;

Cree una entrada en el archivo incluido en el sistema operativo que indique que se requiere un controlador y reinicie el sistema; durante el inicio inicial, el sistema operativo encontrará conductor requerido y descargarlo; Así funciona el sistema operativo Windows;

Acepte nuevos controladores e instálelos rápidamente usando el sistema operativo mientras se está ejecutando; Este método lo utilizan los buses extraíbles USB e IEEE 1394, que siempre requieren controladores cargados dinámicamente.

Existen ciertos registros para la comunicación con cada controlador. Por ejemplo, un controlador de disco mínimo puede tener registros para especificar la dirección del disco, la dirección de la memoria, el número de sector y la dirección de operación (lectura o escritura). Para activar el controlador, el controlador recibe un comando del sistema operativo y luego lo traduce en valores adecuados para escribir en los registros del dispositivo.

En algunas computadoras, los registros de los dispositivos de E/S se asignan al espacio de direcciones del sistema operativo para que puedan leerse o escribirse como palabras comunes en la memoria. Las direcciones de registro se colocan en la RAM fuera del alcance de los programas de usuario para proteger los programas de usuario del hardware (por ejemplo, utilizando los registros base y límite).

En otras computadoras, los registros de dispositivos están ubicados en puertos de E/S especiales y cada registro tiene su propia dirección de puerto. En dichas máquinas, los comandos IN y OUT están disponibles en modo privilegiado, lo que permite a los controladores leer y escribir registros. El primer esquema elimina la necesidad de instrucciones de E/S especiales, pero utiliza algo de espacio de direcciones. El segundo esquema no afecta el espacio de direcciones, pero requiere comandos especiales. Ambos esquemas se utilizan ampliamente. La entrada y salida de datos se realiza de tres formas.

1. El programa de usuario emite una solicitud del sistema, que el núcleo traduce en una llamada a procedimiento para el controlador correspondiente. Luego, el controlador comienza el proceso de E/S. Durante este tiempo, el controlador ejecuta un bucle de programa muy corto, sondeando constantemente si el dispositivo con el que está trabajando está listo (normalmente hay algún bit que indica que el dispositivo todavía está ocupado). Cuando se completa la operación de E/S, el controlador coloca los datos donde se necesitan y regresa a el estado inicial. Luego, el sistema operativo devuelve el control al programa que realizó la llamada. Este método se llama espera lista o espera activa y tiene una desventaja: el procesador debe sondear el dispositivo hasta que complete su trabajo.

2. El controlador inicia el dispositivo y le solicita que emita una interrupción cuando se complete la E/S. Después de esto, el conductor devuelve los datos, el sistema operativo bloquea el programa que llama, si es necesario, y comienza a realizar otras tareas. Cuando el controlador detecta el final de una transferencia de datos, genera una interrupción para señalar la finalización de la operación. El mecanismo para implementar entrada-salida es el siguiente (Fig. 6.a):

Paso 1: el conductor transmite el comando al controlador, escribiendo información en los registros del dispositivo; El controlador inicia el dispositivo de E/S.

Paso 2: Después de terminar de leer o escribir, el controlador envía una señal al chip del controlador de interrupciones.

Paso 3: Si el controlador de interrupciones está listo para recibir una interrupción, envía una señal a un pin específico de la CPU.

Paso 4: El controlador de interrupciones coloca el número del dispositivo de E/S en el bus para que la CPU pueda leerlo y saber qué dispositivo ha completado su trabajo. Cuando la CPU recibe una interrupción, el contenido del contador de programa (PC) y la palabra de estado del procesador (PSW) se envían a la pila actual y el procesador cambia al modo privilegiado (modo kernel del sistema operativo). El número de dispositivo de E/S se puede utilizar como índice de una parte de la memoria utilizada para encontrar la dirección del controlador de interrupciones. de este dispositivo. Esta parte de la memoria se llama vector de interrupción. Cuando el controlador de interrupciones (la parte del controlador del dispositivo que envió la interrupción) comienza su trabajo, elimina el contador del programa y la palabra de estado del procesador ubicados en la pila, los almacena y consulta al dispositivo para obtener información sobre su estado. Una vez finalizado el procesamiento de la interrupción, el control vuelve al programa de usuario que se estaba ejecutando antes, al comando cuya ejecución aún no se ha completado (Fig. 6 b).

3.Para la entrada y salida de información se utiliza un controlador de acceso directo a la memoria (DMA, Direct Memory Access), que controla el flujo de bits entre la RAM y algunos controladores sin la intervención constante del procesador central. El procesador llama al chip DMA, le dice cuántos bytes transferir, proporciona las direcciones del dispositivo y de la memoria y la dirección de la transferencia de datos, y deja que el chip haga lo suyo. Al finalizar, el DMA emite una interrupción, que se maneja en consecuencia.

Las interrupciones pueden ocurrir en momentos inapropiados, como mientras se procesa otra interrupción. Por esta razón, la CPU tiene la capacidad de deshabilitar interrupciones y habilitarlas posteriormente. Mientras las interrupciones están deshabilitadas, todos los dispositivos que han completado su trabajo continúan enviando sus señales, pero el procesador no se interrumpe hasta que se habilitan las interrupciones. Si varios dispositivos salen al mismo tiempo mientras las interrupciones están desactivadas, el controlador de interrupciones decide cuál debe procesarse primero, generalmente en función de las prioridades estáticas asignadas a cada dispositivo.

El sistema informático Pentium tiene ocho buses (bus de caché, bus local, bus de memoria, PCI, SCSI, USB, IDE e ISA). Cada bus tiene su propia velocidad y funciones de transferencia de datos. El sistema operativo debe contener información sobre todos los buses para administrar la computadora y configurarla.

Bus ISA (Arquitectura estándar de la industria): apareció por primera vez en computadoras IBM PC/AT, funciona a 8,33 MHz y puede transferir dos bytes por ciclo de reloj con una velocidad máxima de 16,67 MB/s; se incluye en el sistema para compatibilidad con versiones anteriores de tarjetas de E/S lentas y antiguas.

Bus PCI (Peripheral Component Interconnect): creado por Intel como sucesor del bus ISA, puede funcionar a una frecuencia de 66 MHz y transferir 8 bytes por reloj a una velocidad de 528 MB/s. Actualmente autobuses PCI Utilice la mayoría de los dispositivos de E/S de alta velocidad, así como computadoras con procesadores que no sean Intel, ya que muchas tarjetas de E/S son compatibles con ellos.

La CPU utiliza el bus local del sistema Pentium para transferir datos al chip puente PCI, que accede a la memoria en un bus de memoria dedicado, que a menudo funciona a 100 MHz.

El bus de caché se utiliza para conectar el caché externo, ya que los sistemas Pentium tienen un caché de primer nivel (caché L1) integrado en el procesador y un caché externo grande de segundo nivel (caché L2).

El bus IDE se utiliza para conectar dispositivos periféricos: discos y lectores de CD-ROM. El bus es descendiente de la interfaz del controlador de disco PC/AT y actualmente es estándar en todos los sistemas basados ​​en procesadores Pentium.

Autobús USB (Universal Autobús serie, bus serie universal) está diseñado para conectar dispositivos de entrada/salida lentos (teclado, mouse) a una computadora. Utiliza un pequeño conector de cuatro cables con dos cables que suministran energía a los dispositivos USB.

El bus USB es un bus centralizado sobre el cual el dispositivo host sondea los dispositivos de E/S cada milisegundo para ver si tienen datos. Puede gestionar descargas de datos a una velocidad de 1,5 MB/s. Todos los dispositivos USB utilizan el mismo controlador, por lo que se pueden conectar al sistema sin reiniciarlo.

El bus SCSI (Small Computer System Interface) es un bus de alto rendimiento que se utiliza para discos rápidos, escáneres y otros dispositivos que requieren un ancho de banda significativo. Su rendimiento alcanza los 160 MB/s. El bus SCSI se utiliza en sistemas Macintosh y es popular en sistemas UNIX y otros sistemas basados ​​en procesadores Intel.

El bus IEEE 1394 (FireWire) es un bus serie de bits y admite transferencia de datos en paquetes a velocidades de hasta 50 MB/s. Esta propiedad le permite conectar cámaras de video digitales portátiles y otros dispositivos multimedia a su computadora. A diferencia de un neumático autobús USB IEEE 1394 no tiene un controlador central.

El sistema operativo debe poder reconocer los componentes de hardware y poder configurarlos. Este requisito llevó Intel y Microsoft para desarrollar un sistema de computadora personal llamado plug and play. Antes de este sistema, cada placa de E/S tenía direcciones de registro de E/S fijas y un nivel de solicitud de interrupción. Por ejemplo, el teclado usaba la interrupción 1 y direcciones en el rango de 0x60 a 0x64; El controlador de disquete utilizó la interrupción 6 y las direcciones 0x3F0 a 0x3F7; la impresora usó la interrupción 7 y direcciones de 0x378 a 0x37A.

Si el usuario compró tarjeta de sonido y módem, sucedió que estos dispositivos usaron accidentalmente la misma interrupción. Hubo un conflicto, por lo que los dispositivos no pudieron funcionar juntos. Solución posible Se trataba de construir un conjunto de interruptores DIP (puentes) en cada placa y configurar cada placa para que las direcciones de puerto y los números de interrupción de diferentes dispositivos no entraran en conflicto entre sí.

Plug and play permite que el sistema operativo recopile automáticamente información sobre los dispositivos de E/S, asigne de forma centralizada niveles de interrupción y direcciones de E/S y luego comunique esta información a cada placa. Este sistema se ejecuta en computadoras Pentium. Cada computadora con procesador pentium contiene la placa base en la que se encuentra el programa: el sistema BIOS (Sistema básico de entrada y salida). El BIOS contiene programas de E/S de bajo nivel, incluidos procedimientos para leer desde el teclado, para mostrar información en la pantalla, para datos de E/S del disco, etc.

Cuando la computadora arranca, se inicia el sistema BIOS, que verifica la cantidad de RAM instalada en el sistema, la conexión y el correcto funcionamiento del teclado y otros dispositivos principales. A continuación, el BIOS comprueba los buses ISA y PCI y todos los dispositivos conectados a ellos. Algunos de estos dispositivos son tradicionales (pre-plug and play). Tienen niveles de interrupción fijos y dirección de puerto de E/S (por ejemplo, se configuran mediante interruptores o puentes en la placa de E/S y el sistema operativo no puede cambiarlos). Estos dispositivos se registran y luego se registran los dispositivos plug and play. Si los dispositivos presentes son diferentes de los presentes durante el último inicio, entonces se configuran nuevos dispositivos.

Luego, el BIOS determina desde qué dispositivo arrancar probando cada una de las listas almacenadas en la memoria CMOS por turno. El usuario puede cambiar esta lista ingresando al programa de configuración del BIOS inmediatamente después del inicio. Normalmente, primero intentará arrancar desde el disquete. Si esto falla, se prueba con el CD. Si su computadora no tiene un disquete y un CD, el sistema arranca desde el disco duro. El primer sector se lee en la memoria desde el dispositivo de arranque y se ejecuta. Este sector contiene un programa que verifica la tabla de particiones al final del sector de arranque para determinar qué partición está activa. Luego, el gestor de arranque secundario se lee desde la misma partición. Lee el sistema operativo de la partición activa y lo inicia.

Luego, el sistema operativo sondea el BIOS para obtener información sobre la configuración de la computadora y verifica la presencia de un controlador para cada dispositivo. Si falta el controlador, el sistema operativo solicita al usuario que inserte un disquete o un CD que contenga el controlador (estos discos los proporciona el fabricante del dispositivo). Si todos los controladores están en su lugar, el sistema operativo los carga en el kernel. Luego inicializa las tablas del controlador, crea los procesos en segundo plano necesarios y ejecuta el programa de ingreso de contraseña o GUI en cada terminal.

5. Historia del desarrollo de la tecnología informática.

Todas las computadoras personales compatibles con IBM están equipadas con procesadores compatibles con Intel. La historia del desarrollo de los microprocesadores de la familia Intel se resume a continuación. El primer microprocesador universal de Intel apareció en 1970. Se llamaba Intel 4004, era de cuatro bits y tenía la capacidad de entrada/salida y procesamiento de palabras de cuatro bits. Su velocidad era de 8000 operaciones por segundo. El microprocesador Intel 4004 fue diseñado para su uso en calculadoras programables con una memoria de 4 KB.

Tres años después, Intel lanzó el procesador 8080, que ya podía realizar operaciones aritméticas de 16 bits, tenía un bus de direcciones de 16 bits y, por tanto, podía direccionar hasta 64 KB de memoria (2.516 0 = 65536). 1978 estuvo marcado por el lanzamiento del procesador 8086 con un tamaño de palabra de 16 bits (dos bytes), un bus de 20 bits y podía funcionar con 1 MB de memoria (2 520 0 = 1048576 o 1024 KB), dividido en bloques. (segmentos) de 64 KB cada uno. El procesador 8086 se incluyó en computadoras compatibles con IBM PC e IBM PC/XT. El siguiente gran paso en el desarrollo de nuevos microprocesadores fue el procesador 8028b, que apareció en 1982. Tenía un bus de direcciones de 24 bits, podía gestionar 16 megabytes de espacio de direcciones y se instalaba en ordenadores compatibles con IBM PC/AT. En octubre de 1985, se lanzó el 80386DX con un bus de direcciones de 32 bits (espacio máximo de direcciones 4 GB), y en junio de 1988, se lanzó el 80386SX, que era más barato que el 80386DX y tenía un bus de direcciones de 24 bits. Luego, en abril de 1989 apareció el microprocesador 80486DX, y en mayo de 1993 apareció la primera versión del procesador Pentium (ambos con un bus de direcciones de 32 bits).

En mayo de 1995 en Moscú, en la exposición internacional Comtec-95, Intel presentó nuevo procesador- P6.

Uno de los objetivos más importantes marcados durante el desarrollo del P6 fue duplicar el rendimiento del procesador Pentium. Al mismo tiempo, la producción de las primeras versiones del P6 se ​​llevará a cabo según el "Intel" ya depurado y utilizado en producción. Últimas Versiones Tecnología de semiconductores Pentium (O,6 micras, 3,3 V).

Utilizar el mismo proceso de fabricación garantiza que el P6 pueda producirse en masa sin mayores problemas. Sin embargo, esto significa que duplicar el rendimiento sólo se logra mediante mejoras integrales en la microarquitectura del procesador. La microarquitectura P6 fue diseñada utilizando una combinación cuidadosamente pensada y afinada de varias técnicas arquitectónicas. Algunos de ellos fueron probados previamente en procesadores de computadoras grandes, algunos fueron propuestos por instituciones académicas y el resto fueron desarrollados por ingenieros de Intel. Esta combinación única de características arquitectónicas, a la que Intel se refiere como "ejecución dinámica", permitió que los primeros procesadores P6 superaran los niveles de rendimiento planificados originalmente.

Si se compara con los procesadores Intel alternativos de la familia x86, resulta que la microarquitectura del P6 tiene mucho en común con la microarquitectura de los procesadores Nx586 de NexGen y K5 de AMD y, aunque en menor medida, con el M1 de Cyrix. Esta similitud se explica por el hecho de que ingenieros de cuatro empresas resolvieron el mismo problema: introducir elementos de la tecnología RISC manteniendo la compatibilidad con la arquitectura Intel x86 CISC.

Dos cristales en un paquete

La principal ventaja y característica única del P6 es su posición En el mismo paquete que el procesador hay una memoria caché estática secundaria de 256 KB, conectada al procesador mediante un bus especialmente dedicado. Este diseño debería simplificar significativamente el diseño de sistemas basados ​​en P6. El P6 es el primer microprocesador diseñado para producción en masa que contiene dos chips en un solo paquete.

La CPU del P6 contiene 5,5 millones de transistores; Cristal de caché L2: 15,5 millones. En comparación, el último modelo Pentium incluía alrededor de 3,3 millones de transistores y la caché L2 se implementó utilizando un conjunto externo de unidades de memoria.

Una cantidad tan grande de transistores en la memoria caché se explica por su naturaleza estática. La memoria estática del P6 utiliza seis transistores para almacenar un bit, mientras que la memoria dinámica sólo necesitaría un transistor por bit. La memoria estática es más rápida, pero más cara. Aunque el número de transistores en un chip con caché secundaria es tres veces mayor que en un chip de procesador, las dimensiones físicas de la caché son menores: 202 milímetros cuadrados frente a 306 del procesador. Ambos cristales están encerrados juntos en un paquete cerámico con 387 contactos ("matriz pin-drid de doble cavidad"). Ambos troqueles se fabrican con la misma tecnología (0,6 µm, BiCMOS metálico de 4 capas, 2,9 V). Consumo máximo de energía estimado: 20 W a 133 MHz.

La primera razón para combinar el procesador y la caché secundaria en un solo paquete es facilitar el diseño y la producción de sistemas basados ​​en P6 de alto rendimiento. El rendimiento de un sistema informático basado en procesador rápido, depende en gran medida del ajuste de los chips del entorno del procesador, en particular del caché secundario. No todas las empresas de fabricación de ordenadores pueden permitirse el lujo de realizar la investigación adecuada. En P6, el caché secundario ya está configurado de manera óptima para el procesador, lo que simplifica el diseño de la placa base.

El segundo motivo de la fusión es mejorar la productividad. La CPU de segundo nivel está conectada al procesador mediante un bus de 64 bits de ancho especialmente dedicado y funciona a la misma frecuencia de reloj que el procesador.

Los primeros procesadores Pentium de 60 y 66 MHz accedían al caché secundario a través de un bus de 64 bits a la misma velocidad de reloj. Sin embargo, a medida que aumentaron las velocidades de reloj del Pentium, se volvió demasiado difícil y costoso para los diseñadores mantener dichas velocidades de reloj en la placa base. Por tanto, se empezaron a utilizar divisores de frecuencia. Por ejemplo, para un Pentium de 100 MHz, el bus externo funciona a una frecuencia de 66 MHz (para un Pentium de 90 MHz, es de 60 MHz, respectivamente). El Pentium utiliza este bus tanto para acceder a la caché secundaria como para acceder a la memoria principal y a otros dispositivos, como el chipset PCI.

El uso de un bus dedicado para acceder al caché secundario mejora el rendimiento del sistema. En primer lugar, esto logra una sincronización completa de las velocidades del procesador y del bus; en segundo lugar, se elimina la competencia con otras operaciones de E/S y los retrasos asociados. El bus de caché L2 está completamente separado del bus externo, a través del cual la memoria y dispositivos externos. El bus externo de 64 bits puede funcionar a la mitad, un tercio o un cuarto de la velocidad del procesador, mientras que el bus de caché secundario funciona de forma independiente a máxima velocidad.

Combinar el procesador y la caché secundaria en un solo paquete y comunicarlos a través de un bus dedicado es un paso hacia las técnicas de mejora del rendimiento utilizadas en los procesadores RISC más potentes. Así, en el procesador Alpha 21164 de Digital, la caché de segundo nivel de 96 kB se encuentra en el núcleo del procesador, al igual que la caché primaria. Esto proporciona un rendimiento de caché muy alto al aumentar el número de transistores en el chip a 9,3 millones. El rendimiento del Alpha 21164 es 330 SPECint92 a 300 MHz. El rendimiento del P6 es inferior (Intel estima 200 SPECint92 a 133 MHz), pero el P6 ofrece la mejor relación coste/rendimiento para su mercado potencial.

Al evaluar la relación costo/rendimiento, vale la pena considerar que si bien el P6 puede ser más caro que sus competidores, la mayoría de los demás procesadores deben estar rodeados por un conjunto adicional de chips de memoria y un controlador de caché. Además, para lograr un rendimiento de caché comparable, otros procesadores necesitarán utilizar cachés mayores a 256 KB.

Intel suele ofrecer numerosas variaciones de sus procesadores. Esto se hace para satisfacer los diversos requisitos de los diseñadores de sistemas y dejar menos espacio para los modelos de la competencia. Por lo tanto, podemos suponer que poco después del inicio de la producción del P6, tanto las modificaciones con un mayor volumen de memoria caché secundaria como las modificaciones más económicas con una ubicación externa de la memoria caché secundaria, pero manteniendo un bus dedicado entre la memoria caché secundaria y Aparecerá el procesador.

Pentium como punto de partida

Procesador Pentium con su canalización y superescalar. La arquitectura ha alcanzado niveles impresionantes de rendimiento. El Pentium contiene dos canalizaciones de 5 etapas que pueden ejecutarse en paralelo y ejecutar dos instrucciones enteras por ciclo de reloj de la máquina. En este caso, solo se pueden ejecutar un par de comandos en paralelo, uno detrás del otro en el programa y cumpliendo ciertas reglas, por ejemplo, la ausencia de dependencias de registros del tipo "escritura después de lectura".

En P6, para aumentar el rendimiento, se realizó una transición a una tubería única de 12 etapas. Aumentar el número de etapas conduce a una disminución en el trabajo realizado en cada etapa y, como resultado, a una reducción del tiempo que un equipo dedica a cada etapa en un 33 por ciento en comparación con el Pentium. Esto significa que usar la misma tecnología utilizada para producir un P6 que un Pentium de 100 MHz daría como resultado un P6 con una frecuencia de 133 MHz.

El poder de la arquitectura superescalar del Pentium, con su capacidad de ejecutar dos instrucciones por reloj, sería difícil de superar sin un enfoque completamente nuevo. El nuevo enfoque de P6 elimina la relación rígida entre las fases tradicionales de "búsqueda" y "ejecución", donde la secuencia de comandos a través de estas dos fases corresponde a la secuencia de comandos en el programa.

El nuevo enfoque implica el uso del llamado grupo de comandos y nuevos métodos efectivos predecir el comportamiento futuro del programa. En este caso, la tradicional fase de “ejecución” se reemplaza por dos: “despacho/ejecución” y “reversión”. Como resultado, los comandos pueden comenzar a ejecutarse en cualquier orden, pero siempre completan su ejecución de acuerdo con su orden original en el programa. El núcleo P6 se ​​implementa como tres dispositivos independientes que interactúan a través de un grupo de comandos (Fig. 1).

El principal problema para mejorar la productividad.

La decisión de organizar el P6 como tres dispositivos independientes que interactúan a través de un grupo de instrucciones se tomó después de un análisis exhaustivo de los factores que limitan el rendimiento de los microprocesadores modernos. Un hecho fundamental, cierto para el Pentium y muchos otros procesadores, es que la potencia del procesador no se utiliza al máximo cuando se ejecutan programas del mundo real.

Si bien las velocidades de los procesadores han aumentado al menos 10 veces en los últimos 10 años, los tiempos de acceso a la memoria principal han disminuido sólo un 60 por ciento. Este creciente retraso en la velocidad de la memoria en relación con la velocidad del procesador fue el problema fundamental que tuvo que resolverse al diseñar el P6.

Un posible enfoque para resolver este problema es centrar su atención en el desarrollo de componentes de alto rendimiento que rodeen al procesador. Sin embargo, la producción en masa de sistemas que incluyan tanto un procesador de alto rendimiento como chips de entorno especializados de alta velocidad sería demasiado costosa.

Una posible solución de fuerza bruta podría ser aumentar el tamaño de la caché L2 para reducir el porcentaje de veces que la caché pierde los datos requeridos.

Esta solución es efectiva, pero también extremadamente costosa, especialmente considerando los requisitos de velocidad actuales para los componentes de la caché L2. El P6 fue diseñado desde el punto de vista de la implementación eficiente de un sistema informático completo, y era necesario lograr un alto rendimiento de todo el sistema utilizando un subsistema de memoria de bajo costo.

De este modo, La combinación del P6 de técnicas arquitectónicas como predicción de rama mejorada (la siguiente secuencia de comandos casi siempre se determina correctamente), análisis de flujo de datos (se determina el orden óptimo de ejecución de comandos) y ejecución anticipada (la secuencia prevista de comandos se ejecuta sin tiempo de inactividad). en el orden óptimo) duplicó el rendimiento en relación con Pentium utilizando la misma tecnología de producción. Esta combinación de métodos se denomina ejecución dinámica.

Actualmente, Intel está desarrollando una nueva tecnología de producción de 0,35 micrones, que permitirá producir procesadores P6 con una velocidad de reloj central de más de 200 MHz.

P6 como plataforma para construir servidores potentes

Entre los más significativos Las tendencias en el desarrollo informático de los últimos años pueden destacarse como el uso cada vez mayor de sistemas basados ​​en procesadores de la familia x86 como servidores de aplicaciones, y el creciente papel de Intel como proveedor de tecnologías no procesadoras, como buses, tecnologías de red, compresión de vídeo, memoria flash y herramientas de administración del sistema.

El lanzamiento del procesador P6 continúa la política de Intel de llevar al mercado masivo capacidades que antes solo se encontraban en computadoras más caras. Se proporciona control de paridad para los registros P6 internos y el bus de 64 bits que conecta el núcleo del procesador y el caché de segundo nivel está equipado con herramientas de detección y corrección de errores. Las nuevas capacidades de diagnóstico integradas en el P6 permiten a los fabricantes diseñar sistemas más confiables. El P6 brinda la capacidad de obtener información a través de contactos del procesador o utilizando software sobre más de 100 variables del procesador o eventos que ocurren en él, como la ausencia de datos en el caché, el contenido de los registros, la aparición de código que se modifica automáticamente y pronto. El sistema operativo y otros programas pueden leer esta información para determinar el estado del procesador. P6 también presenta soporte mejorado para puntos de control, lo que significa que la computadora puede regresar a un estado previamente registrado si ocurre un error.

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