¿Qué ocurre dentro del ordenador?
El hardware pone los medios. El software indica la tarea. Sigue una suma paso a paso y descubre cómo cooperan la CPU, la memoria y los buses.
Una suma, vista desde dentro
Memoria compartida
Dirección y datoLos corchetes indican una dirección: el número de una casilla de memoria. El contenido puede ser distinto: con A = 2 y B = 3, la casilla [12] acaba guardando 5. El 12 identifica dónde guardar, no cuánto vale el resultado.GUARDA [12]Qué significa GUARDAGUARDA [12] copia el valor del acumulador a la casilla [12] de esta memoria simulada. Todavía falta MUESTRA para verlo en la salida. Esta instrucción de la CPU no guarda un archivo en un SSD.CPU → memoria↔ DatosControl ↔
CPU Procesador
Preparado: el programa sumará los datos de las posiciones 10 y 11.
PC: próxima instrucción. IR: instrucción actual. ACC: acumulador, donde se guarda el resultado temporal.
Al avanzar verás el origen, el destino y el dato que cambia.
0 de 12 pasos
Modelo educativo: cuatro instrucciones inventadas y tres fases por instrucción. Un paso no equivale a un ciclo real del reloj. Se omiten cachés, interrupciones y ejecución simultánea.
Conceptos para entenderlo
Sigue la tarea y las señales
Primero observa el problema y el dibujo. Después pulsa «Ver explicación». Puedes avanzar paso a paso.
Guardar: aplicación, sistema y hardware
EL PROBLEMAHas editado un documento. ¿Cómo consigues que siga ahí cuando apagues el ordenador?
- Antes
- El documento editado está abierto en la aplicación.
- Después
- La aplicación envía al sistema la petición de guardar su contenido.
Por qué: El programa solicita la operación; no controla por sí solo todos los detalles del dispositivo.
EL PROBLEMAHas editado un documento. ¿Cómo consigues que siga ahí cuando apagues el ordenador?
- Antes
- La petición ha llegado al sistema operativo.
- Después
- El kernel y los controladores coordinan el envío de los datos al SSD.
Por qué: El sistema organiza el acceso a los recursos para que los programas puedan utilizar el hardware.
EL PROBLEMAHas editado un documento. ¿Cómo consigues que siga ahí cuando apagues el ordenador?
- Antes
- Los datos están en camino hacia el almacenamiento.
- Después
- En este ejemplo ideal, la copia ya se ha escrito en memoria no volátil del SSD.
Por qué: Una copia escrita en el SSD permanece sin alimentación; los cambios posteriores necesitan otro guardado.
- N1 Aplicación: programa con el que editas el documento.
- N2 Kernel: núcleo del sistema operativo; también es software.
- N3 SSD: dispositivo físico que conserva la copia guardada.
Como en una oficina: una persona pide guardar, otra organiza el trabajo y un archivador conserva la copia.
Modelo educativo: Ruta simplificada de una petición de guardado. Se omiten controladores, cachés y tiempos de escritura; pulsar el botón no representa una escritura física instantánea.
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¿Y el firmware?
El firmware también es software. BIOS/UEFI prepara el equipo al arrancar; no es una parada obligatoria por la que atraviesa cada archivo o cada tecla.
Una lectura, tres señales diferentes
EL PROBLEMALa CPU quiere leer el dato de la casilla 10. ¿Cómo indica dónde buscar, qué hacer y qué valor recibir?
- Antes
- La CPU necesita el contenido de una casilla.
- Después
- La dirección [10] viaja de CPU a memoria y selecciona esa posición.
Por qué: La dirección identifica dónde acceder; todavía no es el dato guardado.
EL PROBLEMALa CPU quiere leer el dato de la casilla 10. ¿Cómo indica dónde buscar, qué hacer y qué valor recibir?
- Antes
- La posición [10] ya está seleccionada.
- Después
- La CPU envía la orden LEER por las señales de control.
Por qué: Seleccionar una dirección y pedir leer son funciones distintas.
EL PROBLEMALa CPU quiere leer el dato de la casilla 10. ¿Cómo indica dónde buscar, qué hacer y qué valor recibir?
- Antes
- La memoria ha recibido la petición.
- Después
- El valor 7 vuelve desde la memoria hasta la CPU por las líneas de datos.
Por qué: En esta lectura el dato va hacia la CPU; en una escritura puede circular en sentido contrario.
- N1 CPU: solicita una lectura de memoria.
- N2 Memoria: la casilla [10] contiene el dato 7.
- N3 Flechas: dirección, orden de lectura y dato; cada vista muestra una función.
Como buscar un libro: dices en qué estante está, pides leerlo y recibes el contenido.
Modelo educativo: Tres vistas de una lectura ideal. No se representan todos los cables, tiempos ni protocolos; no equivale a tres ciclos reales del reloj.
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¿El 10 y el 7 representan lo mismo?
No. [10] es la dirección, como el número de un cajón; 7 es el contenido que hay dentro. Cambiar el contenido no obliga a cambiar la dirección.
Seis conceptos para empezar
- Hardware
- Las partes físicas que puedes tocar: placa base, CPU, RAM, discos, fuente y periféricos.
- Software
- Programas, instrucciones y datos que indican qué hacer. Incluye el sistema operativo, las aplicaciones y los programas de control.
- Circuito microprogramable
- El PDF utiliza este término para un circuito cuyo trabajo cambia mediante un programa, como un microprocesador o microcontrolador. Aquí se mantiene ese sentido general de circuito programable, frente a una función fijada por lógica cableada. En arquitectura de CPU, microprogramación también tiene un sentido más específico: utilizar microcódigo para organizar operaciones internas que ejecutan instrucciones. Cambiar una aplicación no equivale a modificar ese microcódigo.
- Firmware
- Software ligado al funcionamiento básico de un dispositivo. Se guarda normalmente en memoria no volátil y permanece al apagar. Ejemplos: router, impresora o placa base.
- BIOS / UEFI
- BIOS significa Basic Input/Output System, o sistema básico de entrada/salida. Es firmware que inicializa y comprueba componentes, permite configurar parámetros mediante su programa SETUP e inicia el arranque del sistema operativo. UEFI significa Unified Extensible Firmware Interface y es habitual en equipos modernos; BIOS también se usa como nombre genérico.
- Kernel
- Núcleo del sistema operativo. Gestiona procesador, memoria, procesos y dispositivos, y permite que los programas utilicen esos recursos.
Arquitectura de Von Neumann
En este modelo, las instrucciones y los datos se guardan en una misma memoria. La CPU lee las instrucciones y utiliza los datos para ejecutar el programa. Memoria de programa y memoria de datos son funciones dentro de ese almacenamiento compartido, no necesariamente dos memorias físicas separadas.
- CPU
- Unidad central de proceso: interpreta y ejecuta instrucciones. Contiene unidad de control, ALU y registros.
- Unidad de control (UC)
- Interpreta instrucciones y coordina las señales que hacen trabajar al sistema.
- ALU / UAL
- Unidad aritmético-lógica. Hace operaciones como sumas, restas y comparaciones.
- Registros
- Pequeñas memorias internas de la CPU que guardan temporalmente datos, instrucciones y resultados.
- Reloj
- Genera impulsos periódicos que sincronizan operaciones. Un paso de nuestra simulación no representa necesariamente un ciclo real del reloj.
- Memoria principal
- Contiene las instrucciones y los datos que la CPU necesita mientras ejecuta el programa.
- Entrada/salida (E/S)
- Comunicación con dispositivos externos. Las interfaces adaptan señales eléctricas, códigos y velocidades y coordinan las transferencias. Pueden incorporar registros que guardan temporalmente datos y estados del dispositivo.
Tres buses, tres preguntas
La secuencia general es obtener una instrucción, interpretarla, conseguir los datos, operar y guardar el resultado. Después se continúa con otra instrucción. El simulador agrupa este trabajo en buscar, decodificar y ejecutar.
- Bus de datos
- Transporta el contenido: ¿qué dato se mueve?
- Bus de direcciones
- Identifica la posición de memoria o el dispositivo: ¿dónde se lee o escribe?
- Bus de control
- Lleva señales de coordinación: ¿hay que leer, escribir o realizar otra operación?
Preguntas del PDF
Enunciados adaptados del documento y respuestas para redactar el trabajo con tus palabras. Las simulaciones y las preguntas de práctica complementan este repaso.
¿Qué es el hardware? PDF · p. 1
El hardware es el conjunto de partes físicas de un sistema informático: los elementos que se pueden tocar. Incluye la placa base, el procesador, los módulos de RAM, las unidades de almacenamiento, la fuente de alimentación y los periféricos.
Por ejemplo, un teclado es hardware. El programa que interpreta lo que escribes es software. El sistema necesita que ambos trabajen juntos.
¿Qué es el software? PDF · p. 1
El software comprende los programas, las instrucciones y los datos que indican al hardware qué tareas debe realizar. Incluye el sistema operativo, las aplicaciones y los programas de control.
Por ejemplo, Windows o Linux permiten gestionar recursos y ejecutar aplicaciones; un navegador o un programa de control de una máquina también son software. El software no es la pieza física en la que se almacena.
¿Qué es un circuito microprogramable en el sentido utilizado por esta práctica? PDF · p. 1
La práctica utiliza el término en un sentido general de circuito programable: un circuito digital cuya parte física se mantiene y cuyo trabajo puede cambiar al cambiar el programa. Se distingue así entre el hardware fijo y las instrucciones o software que determinan la tarea.
En un circuito de lógica cableada, la función depende principalmente de cómo se han conectado físicamente sus elementos. En un circuito programable se pueden realizar tareas diferentes modificando el programa. El PDF pone como ejemplos microprocesadores, microcontroladores y sistemas de control programables.
Al responder conviene indicar este contexto: se está explicando el uso amplio del término en el documento, no afirmando que toda la terminología de programación y microprogramación sea intercambiable.
¿Qué es el firmware? PDF · p. 1
El firmware es software estrechamente ligado al hardware de un dispositivo. Contiene las instrucciones que permiten realizar sus funciones básicas y coordinar su funcionamiento.
Normalmente se guarda en memoria no volátil, por lo que no desaparece al apagar el dispositivo. Puede ser actualizable según el diseño. Son ejemplos el firmware de un router, de una impresora o de una placa base. No debe confundirse con la pieza de memoria que lo contiene.
¿Qué es la BIOS y qué funciones tiene? ¿Qué relación tiene con UEFI? PDF · p. 1, 9
BIOS significa Basic Input/Output System, o sistema básico de entrada/salida. Es un firmware de arranque del ordenador, almacenado en memoria no volátil de la placa base.
Al encender el equipo, inicializa y comprueba componentes, permite configurar determinados parámetros mediante su programa de configuración o SETUP e inicia la cadena de arranque del sistema operativo. Preparar el hardware no es lo mismo que ejecutar después todas las aplicaciones.
UEFI es una tecnología de firmware más moderna que la BIOS tradicional. En el lenguaje cotidiano se sigue llamando BIOS al menú de configuración de muchos equipos UEFI. BIOS/UEFI y kernel no son sinónimos: el firmware actúa al principio del arranque y el kernel es el núcleo del sistema operativo.
¿Qué es el kernel? PDF · p. 1
El kernel es el núcleo del sistema operativo. Gestiona recursos como el procesador, la memoria, los procesos y los dispositivos de entrada y salida, y permite que los programas utilicen esos recursos de forma coordinada.
Por ejemplo, el kernel de Linux administra los recursos necesarios para ejecutar aplicaciones. No es la caja del ordenador ni el firmware BIOS/UEFI.
¿En qué consiste la arquitectura de Von Neumann? Explica sus partes y cómo dibujar su diagrama de bloques. PDF · p. 2–3
La arquitectura de Von Neumann organiza el ordenador con una memoria compartida para las instrucciones de los programas y los datos. La CPU obtiene de esa memoria tanto las instrucciones que ejecuta como la información con la que trabaja. Las expresiones memoria de programa y memoria de datos describen sus usos; no obligan a dibujar dos memorias físicas separadas.
La CPU interpreta y ejecuta instrucciones. La unidad de control las interpreta y coordina las señales del sistema; la ALU o UAL realiza operaciones aritméticas y lógicas, como sumar, restar o comparar; los registros son pequeñas memorias internas para instrucciones, datos y resultados temporales. El reloj genera impulsos periódicos que sincronizan operaciones. Una instrucción o una fase de este simulador no equivale necesariamente a un único ciclo real del reloj.
La memoria principal mantiene los programas y datos utilizados durante la ejecución. La unidad o interfaz de entrada/salida comunica el sistema con dispositivos externos y adapta señales, códigos y velocidades. Los periféricos permiten introducir información, obtener resultados o comunicarse: teclado y ratón son ejemplos de entrada; monitor e impresora, de salida; una pantalla táctil combina entrada y salida.
Los buses son conjuntos de conexiones. El de datos transporta el contenido; el de direcciones identifica la posición de memoria o el dispositivo al que se accede; el de control lleva señales que coordinan operaciones, como leer o escribir.
Para el diagrama, dibuja un bloque CPU que contenga UC, ALU y registros, y señala el reloj como elemento de sincronización. Añade un bloque de memoria compartida, otro de interfaz E/S y los periféricos conectados a esta. Une CPU, memoria e interfaz E/S mediante los buses de datos, direcciones y control. En el acceso sencillo a memoria que estudia esta práctica, la dirección sale de la CPU hacia la memoria; los datos pueden ir de memoria a CPU al leer y de CPU a memoria al escribir. El esquema didáctico omite detalles de un ordenador real.
¿Cómo funciona, de forma general, el ciclo de ejecución de instrucciones? PDF · p. 3
- La CPU obtiene de memoria la instrucción que corresponde ejecutar.
- La unidad de control interpreta esa instrucción.
- Se consiguen los datos necesarios, si la instrucción los requiere.
- La ALU realiza la operación aritmética o lógica correspondiente.
- El resultado se guarda en un registro o en memoria.
- La ejecución continúa con la siguiente instrucción indicada por el programa.
La secuencia se repite mientras se ejecuta el programa. El simulador la agrupa en buscar, decodificar y ejecutar. Sus cuatro instrucciones son inventadas para facilitar el aprendizaje; no son el lenguaje máquina de un procesador comercial. Este enunciado adapta el apartado de funcionamiento general del PDF.