Arquitectura del PC: Componentes, Memoria, Almacenamiento RAID y Sistemas Operativos

Partes básicas de un PC

Partes de un PC: procesador, memoria, dispositivos de E/S e interconexiones entre estos.

Capacidad de un PC

Capacidad de un PC: la unidad mínima es el bit y el byte (número de bits necesarios para representar un carácter).

• 1 KB = 1024 bytes
• 1 MB = 1024 KB
• 1 GB = 1024 MB
• 1 TB = 1024 GB

Velocidad de un PC

Velocidad de un PC:

• Reloj del sistema: sincroniza el trabajo entre pulso y pulso. Se mide en MHz o GHz (ciclos por segundo).
• Ancho de bus: cantidad de datos que se pueden transmitir a la memoria o a E/S.
• Tamaño de palabra: cantidad de datos que el procesador puede manejar en un ciclo.
• Velocidad punta, media y sostenida
• Tiempo medio de acceso

Microprocesador

Microprocesador (CPU): unidad central de procesamiento; ejecuta programas e instrucciones y se comunica con los dispositivos.

Partes del microprocesador

• Encapsulado (carcasa)
• ALU (Unidad Aritmética Lógica)
• Unidad de control: dicta lo que se debe hacer con los datos de la ALU.
• Unidad de anticipación: decide qué datos pedir según lo que vaya a hacer.
• Unidad de decodificación: traduce los códigos de instrucción.
• Registros: almacenan pequeños datos.
• Caché: reduce el tiempo de acceso.
• Coprocesador matemático: realiza operaciones matemáticas en coma flotante.

Tecnologías del microprocesador

• Pipelining: permite a la CPU realizar dos operaciones simultáneas.
• Multicore: CPU con 2 o más núcleos, mejora el rendimiento.
• Procesador CISC: instrucciones largas y de longitud desigual. Aproximadamente el 20% de las instrucciones consume el 80% del tiempo.
• Procesador RISC: instrucciones reducidas de igual duración. Más rápido, con procesamiento en paralelo.

Tipos de instrucciones

Lenguaje máquina, aritméticas, lógicas, declarativas, de ruptura de secuencia y de transferencia de datos.

Tienen 3 operandos (4 partes: código de operación + 3 operandos; en el tercero se encuentra el resultado).

Modos de direccionamiento

• Inmediato: el dato a usar se encuentra en la instrucción.
• Directo: la instrucción contiene la dirección de memoria donde está el dato.
• Indirecto: la instrucción contiene la dirección de memoria donde está la dirección que contiene el dato.
• Indexado: se suma a la dirección una cantidad que indica el índice.

Memoria

Memoria: guarda datos de forma temporal o permanente (disco duro, RAM o caché).

RAM

Temporal y rápida; al apagar el PC, sus datos se borran.

• SIMM: 30-72 contactos, zócalo blanco, 32 bits.
• DIMM: 168 contactos, zócalo negro, 64 bits.
• SO-DIMM: para portátiles.
• Doble canal: 2 canales en paralelo, agiliza la transmisión de datos entre controlador y RAM.

Caché

De más de 1 MB; sus datos se usan con mayor frecuencia y almacena posiciones del programa y directorios.

• Nivel 1: dentro del microprocesador, de unos 1 MB, más rápida y cara.
• Nivel 2: entre el microprocesador y la RAM, de unos 2 MB.

Placa base

Placa base: donde se montan y conectan los componentes del PC.

Factores de forma

• Baby AT: estándar antiguo, mala refrigeración.
• LPX: en desuso.
• ATX: conectores USB, menos cables, mejor ventilación.
• BTX: la mejor refrigeración.

Componentes

• BIOS: funciones de manejo y configuración del sistema; reconoce el hardware y el SO; tiene una pila recargable.
• Chipset: médula espinal del PC; controla la interacción CPU-RAM-caché; de su calidad depende el rendimiento.
  • Puente norte: controla la CPU, la RAM, el puente sur y el puerto gráfico.
  • Puente sur: comunica el ordenador con los periféricos.

Buses

Conexiones eléctricas que llevan información entre dispositivos. Tipos: de datos, de control y de dirección.

• FSB: CPU y resto de componentes.
• ISA: (1980).
• PCI
• AGP: tarjetas gráficas (AGP 1x, 2x, 4x, 8x).
• PCI Express: más rápido y eficiente, con ancho de banda no compartido, permite la conexión en caliente y transfiere datos sin pasar por la CPU.

Dispositivos extraíbles

Dispositivos extraíbles: almacenan información fuera del PC.

• Disquetes: capacidad mínima.
• Zip: segundo en capacidad.
• LS-120: tercero.
• EZFlyer: cuarto.
• Jaz: 1-2 GB.
• CD: 700 MB.
• DVD: hasta 20 GB.
• Cintas DAT: 1 GB.

Dispositivos de almacenamiento centralizado

• RAID: para redes de gran tamaño.
• NAS: unidades de almacenamiento conectadas a redes de datos; se instala con la red LAN.
• SAN: alta velocidad, capacidad ilimitada; servidores y dispositivos de almacenamiento; la información no está en los servidores, lo que optimiza el rendimiento. Se almacena en dispositivos ópticos, cintas magnéticas y arrays, conectados mediante fibra óptica. Son tecnologías complementarias.

Dispositivos de entrada

• Teclados: mecánicos y de membrana.
• Apuntadores: ratón, trackball, joystick, mousepad, mousepoint, gamepad.
• Detectores de posición:
  • Lápiz óptico, tableta digitalizadora.
  • Ópticos: escáner, cámara de fotos, webcam, lector de código de barras.
  • Sonoros: micrófonos.
  • Magnéticos: tarjetas de crédito.

Dispositivos de E/S

• Tarjetas de comunicación (módem): transforman señales digitales en telefónicas y viceversa.
• Fax
• Monitores táctiles
• Tarjetas de sonido: dos funciones, reproducir y sintetizar a través del micrófono.

Dispositivos de salida

• Monitor
• Impresoras gráficas:
  • De impacto
  • Térmicas
  • De inyección de tinta
  • Láser
  • Plotters
  • Fotográficas: sublimación (más cálida, cara), tinta sólida (todo tipo de papel), cera térmica (cálida/precio).

Sistemas RAID

Conceptos básicos

• Discos espejo: duplicar la información en varios discos.
• Bandas: dividir la información en bloques y almacenarla en discos distintos.
• Paridad: mecanismo de codificación de datos para detectar y corregir errores.
• Duplicación de controlador: más de una tarjeta SCSI para conectar discos y evitar fallos del adaptador.

Niveles RAID

RAID 0: la información se divide en dos discos.

• Ventajas: alto rendimiento, sin coste adicional, aprovecha toda la capacidad del disco.
• Inconvenientes: no es tolerante a fallos; un error implica la pérdida de toda la información.

RAID 1: discos asociados en parejas. Uno primario donde se lee y escribe, y otro espejo que guarda las modificaciones y sustituye los datos en caso de error.

• Ventajas: en caso de error se recuperan los datos; es el más rápido.
• Inconvenientes: muy caro, requiere el doble de espacio necesario.

RAID 2: múltiples discos, en algunos se guardan códigos de error. Se usan en paralelo para aumentar la velocidad de transferencia.

• Ventajas: posible recuperar datos a partir de los códigos de error.
• Inconvenientes: caro, ya que necesita mucho espacio para los códigos; tiempo de lectura lento.

RAID 3: información almacenada en varios discos y uno dedicado a los dígitos de paridad.

• Ventajas: alto rendimiento en aplicaciones de gran velocidad de transferencia; el disco de paridad recupera datos.
• Inconvenientes: tiempo de escritura alto; si se pierde el disco de paridad, se pierde toda la información redundante.

RAID 4: discos independientes más un disco de control de errores; los datos se dividen en bloques y se distribuyen entre discos.

• Ventajas: mantiene la integridad de los datos; buen rendimiento de escritura.
• Inconvenientes: si se pierde el disco de paridad, se pierde la información redundante; lectura de datos pobre.

RAID 5: discos independientes con integración de códigos de error mediante paridad. Los datos y la paridad se guardan en los mismos discos, pero nunca se guarda la paridad en el mismo disco que los datos que la generaron.

• Ventajas: alta velocidad; no se desaprovecha ningún disco en paridad; se pueden recuperar datos.
• Inconvenientes: bajo rendimiento de escritura; mínimo 3 discos; usa XOR para generar la paridad.

RAID 6: se guardan 2 paridades de cada bloque de información en discos distintos.

• Ventajas: posible recuperar varios errores a la vez; nivel de integridad de datos muy elevado.
• Inconvenientes: bajo rendimiento de escritura.

RAID 7: igual que RAID 4, usa un sistema operativo en tiempo real propio del equipo, que gestiona los accesos a los discos.

RAID 10: igual que RAID 1, pero incluye otros discos donde se almacena una copia complementaria de la información. Mayor velocidad de acceso.

RAID 53: igual que RAID 3, pero incluye otros discos para almacenar una copia complementaria de la información. Mayor velocidad de acceso.

RAID 0+1: combinación de 0 y 1; la información se duplica en conjuntos de discos y los datos se distribuyen en franjas.

Sistema operativo

Funciones del sistema operativo: control de ejecución de programas, administración de periféricos, gestión de permisos de usuarios, control de concurrencia, control de errores, administración de memoria y control de seguridad.

Niveles del SO:

1. Gestión del microprocesador
2. Gestión de memoria
3. Gestión de procesos
4. Gestión de dispositivos
5. Gestión de información

Kernel

Kernel: núcleo del SO. Al arrancar el PC se carga en memoria y permanece allí realizando: control de memoria, comunicación entre procesos, control de interrupciones, manejo de errores, traslado del control de un proceso a otro y control de los periféricos.

Programas y procesos

Proceso: un programa en ejecución. Se compone de un código de identificación que se ejecuta y una estructura de datos, ambos almacenados en memoria. La estructura de datos sirve para identificar y controlar el proceso y su ejecución.

Planificación de la CPU y multiprocesamiento

El SO con sistemas multiprocesador ejecuta varias tareas a la vez. En los convencionales se crea una ilusión mediante interrupciones, con objetivos de equidad, eficiencia, bajo tiempo de respuesta, poco tiempo de espera y alto rendimiento. Cuando esto no es posible, las tareas cooperan suspendiéndose cada cierto tiempo (cooperative switching); si no lo hacen, el SO interviene (pre-emptive switching, mediante prioridades).

Sincronización de procesos

Ocurre cuando los procesos necesitan a la vez un recurso. Hay procesos independientes y cooperantes, que actúan en:

• Exclusión mutua: solo un proceso se realiza en ese momento; los demás se excluyen temporalmente.
• Sección crítica: cuando un proceso está en su sección crítica, ningún otro puede estar en ella. La sección crítica debe ejecutarse en exclusión mutua.

Bloqueos

Cuando dos procesos usan a la vez un recurso, se apropian de zonas del mismo y se bloquean. Soluciones: algoritmo del avestruz, prevención, detección y recuperación.

Gestión de la memoria

Es una tabla de palabras con una dirección. Cada proceso ubica datos, código y pila. El gestor de memoria asigna a cada proceso su memoria y gestiona su uso. A veces dos procesos comparten zonas de memoria.

Se evalúa según la memoria desaprovechada en la asignación y el tiempo perdido en acceder a ella y en los procesos complementarios de acceso a datos. La opción más sencilla es dividir la memoria en particiones y asignar a cada proceso la partición más pequeña que pueda contenerlo.

• Fragmentación: cantidad de memoria desaprovechada. Interna (diferencia entre el tamaño de la partición y el dato) y externa (desaprovechamiento entre particiones; se soluciona con compactación).
• Segmentación: particiones variables y compactación automática; se reubican bloques para optimizar el espacio.

Memoria virtual

Solo guarda las partes de un programa más usadas, mejorando el rendimiento global. Cuando hace falta una página que no está en memoria, se produce un intercambio (swapping).

• Paginación: se divide el proceso en páginas; cuando una página no está en memoria se realiza la paginación a demanda.
• Algoritmos de reemplazo de páginas: FIFO, LRU (la que menos se ha usado recientemente) y óptimo (exige conocer el orden de uso futuro).

Dispositivos de E/S

• Orientados a bloques: como el CD; direccionables y de bloques fijos.
• Orientados a caracteres: como el ratón; no direccionables y sin tamaño establecido.

Tienen acceso a memoria. La CPU indica dónde están los datos y su tamaño, y se desentiende. Cuando termina, produce una interrupción y la CPU retoma el control.

Clasificación de los sistemas operativos

• Estructura interna: monolítico, por capas, máquina virtual.
• Modos de explotación: por lotes y multiprogramación.
• Servicios ofrecidos: monotarea/multitarea, monousuario/multiusuario, monoprocesador/multiprocesador (asimétricos y simétricos).
• Forma de ofrecer servicios: centralizados (CPU centralizada y terminales tontos), en red, distribuidos (fuertemente acoplados, que comparten reloj y procesador, o débilmente acoplados).

Evolución histórica de los SO

• Generación 0: sin SO.
• Generación 1: monotarea, tarjetas perforadas, transistores.
• Generación 2: SO multiprogramados y multiprocesamiento; sistemas compartidos.
• Generación 3: procesamiento por lotes.
• Generación 4: redes.

SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida)

SAI: protege de fallos del suministro eléctrico los datos que se están usando.

Tipos

• Off-line: el equipo se alimenta de la red y el SAI solo alimenta al equipo cuando hay un fallo.
• On-line: situado entre la alimentación de red y el equipo; estabiliza la tensión y elimina fluctuaciones.
• On-line con doble conversión: elimina grandes fluctuaciones.

Partes

• Microcontrolador: controla, sincroniza y gestiona todos los módulos del SAI y se comunica con el PC.
• Sensor de nivel de entrada: comprueba el nivel y las características de la señal de alimentación.
• Relé conmutador de carga: controlado por el microcontrolador; da entrada de tensión a la batería para cargarla.
• Convertidor AC/DC: convierte la señal alterna de la red en continua para la batería.
• Batería: almacena energía; de plomo-ácido, de bajo coste, alta duración y libre de mantenimiento.
• Convertidor DC/AC: convierte la continua de la batería en alterna para el PC.
• Relé conmutador de salida: controlado por el microcontrolador; detecta fallos y activa la batería.
• Sensor de estado de carga de baterías.

Un SAI debe durar 15 minutos para guardar los datos que se están usando.

Copias de seguridad

• Completa: copia todo.
• Incremental: copia los archivos con el atributo modificado y lo pone a cero.
• Diferencial: copia los archivos con el atributo modificado, pero no lo pone a cero.

Restaurar una copia de seguridad: última copia completa + la diferencial posterior a la completa + todas las incrementales posteriores a la diferencial.

Cortafuegos

Cortafuegos: controla la comunicación con el exterior según su configuración.

• Hardware: filtrado a través de paquetes IP (por dirección de origen o destino, por puerto de origen o destino, por tipo de paquete, por interfaces de entrada y salida) y filtrado a nivel de aplicación (acceso permitido o denegado según filtros de contenido).
• Software: cortafuegos personal, instalado en el PC, que filtra la comunicación entre este y la red.

Cifrado

Tipos de algoritmos de cifrado

• Clave simétrica o privada: una sola clave para cifrar y descifrar; quien la conozca podrá hacerlo.
• Clave asimétrica o pública: dos claves, una para cifrar y otra para descifrar; forman pareja y solo se puede descifrar con su pareja.

Encriptación: cambiar un elemento para protegerlo de intromisiones activas o pasivas, de modo que alguien no autorizado no pueda leerlo.