Fundamentos de Sistemas Informáticos

Un sistema informático está compuesto por:

• HARDWARE: Parte tangible, física, componentes que podemos montar y desmontar a nuestro antojo. Ejemplos de hardware son el monitor, la placa base, la tarjeta gráfica, los módulos de memoria, el microprocesador, etc.
• SOFTWARE: Parte no tangible, elementos que no se pueden tocar pero que al arrancar PC permiten que este funcione, que podamos realizar cálculos y utilizar el hardware. Ejemplos de software podrían ser Windows 7, Antivirus Avast, OpenOffice, etc.
• Componente HUMANO: Parte que referencia a la persona que utiliza el ordenador, ya sea creando software (programadores de software que utilizan algún entorno de desarrollo para tal fin) o como usuario terminal.

Aunque no vamos a introducirnos en términos complejos realmente todo empieza con la electricidad. Si a una placa impresa no se le aplicara una cantidad determinada de corriente eléctrica (intensidad) no funcionaría, y dicha placa está constituida por una serie de componentes eléctricos que desempeñan una función.

Podemos definir la electricidad como una manifestación física que tiene que ver con las partes más pequeñas de la materia, los átomos, concretamente los electrones y su comportamiento.

Al movimiento de electrones de un cuerpo a otro se le denomina corriente eléctrica. Pero, ¿cuándo sucede esto? Supongamos un cuerpo que se haya cargado positivamente y otro cargado negativamente. Si entre ellos colocamos un material conductor, los electrones en exceso del cuerpo cargado negativamente se desplazarán hacia el cuerpo cargado positivamente.

Este flujo de electrones se denomina corriente eléctrica y permanecerá hasta que se igualen las cargas en ambos cuerpos. Al hablar de corriente eléctrica es inevitable recordar conceptos como:

• Voltaje, tensión o potencial: Diferencia de potencial de cargas positivas y negativas entre dos puntos del circuito. Se mide en voltios (V).
• Intensidad o corriente: Cantidad de corriente, electrones, que circulan por el conductor en una unidad de tiempo. Se mide en amperios (A).

Flujo de electrones en el átomos de un material conductor

Los materiales pueden clasificarse en función de la facilidad que poseen de perder electrones de las capas externas (órbitas del átomo que se encuentra más alejada del núcleo). Así tenemos:

• Materiales Conductores: Los electrones más alejados del núcleo se mueven con facilidad de un átomo a otro.
• Materiales Aislantes: Los electrones se encuentran fuertemente fijados al núcleo, de modo que no existe movilidad de un átomo a otro.
• Materiales semiconductores: es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. El semiconductor más famoso en informática es el Silicio.

La corriente eléctrica permite que utilicemos en nuestra vida cotidiana multitud de dispositivos, planchas, ordenadores, estufas… Un circuito eléctrico no es otra cosa que un conjunto de elementos conectados que aprovechan o generan corriente eléctrica. Un circuito eléctrico básico está compuesto por:

• Generador: elemento encargado de “generar” la corriente eléctrica. Ejemplo: pila, alternador…
• Conductor: componente de material conductor que une todos los elementos del circuito y permite el paso de la corriente eléctrica. Ejemplo: hilo de cobre.
• Receptor: aquellos elementos que se encuentran en un punto del circuito y consumen la electricidad que pasa a través de él, convirtiendo ésta en energía lumínica, calorífica, mecánica, etc. Ejemplo: bombilla, motor.

Esquema de un circuito simple (generador, receptor, conductor e interruptor)

Corriente alterna y continua son términos que se usan con frecuencia en la vida cotidiana. Podríamos definir ambos tipos de corriente de la siguiente manera:

• Corriente alterna: Es la que llega a nuestros hogares y usan nuestros dispositivos eléctricos. En corriente alterna el número de electrones que circulan varía tanto de cantidad, como de sentido. Esto tiene que ver con la forma en que se produce dicha corriente.
• Corriente continua: Una pila proporciona corriente continua, una corriente en la que siempre fluye el mismo número de electrones y en la misma dirección.

Un PC se compone, entre otras cosas, de placas o circuitos impresos. Ejemplos de ellos son la placa base o placa madre, tarjetas gráficas, tarjetas de red, etc. Estos circuitos dibujan unas finas líneas de cobre, que definen caminos que conectan diversos componentes básicos eléctricos además de chips, permitiendo el flujo de corriente eléctrica y controlando la tensión que llega a cada zona concreta. Entre los componentes eléctricos tenemos:

• Resistencias: Debido a su mayor o menor oposición al paso de corriente eléctrica se usan para distribuir adecuadamente la tensión o la intensiadad en el circuito.
• Condensadores: Son capaces de almacenar una cantidad determinada de carga eléctrica. En las fuentes de alimentación se usan como parte del circuito rectificador que convierte la corriente alterna de 230 V a continua de 12v.
• Diodos: Semiconductor que permite el paso de corriente si se encuentra polarizado directamente (deja pasar los electrones en una única dirección), en caso contrario su resistencia es infinita y no deja pasar corriente eléctrica. Los LED's son un tipo de diodo.
• Transistores: Es un elemento eléctrico compuesto de material semiconductor y está presente en multitud de circuitos integrados. Su descubrimiento constituyó una nueva era en los sistemas informáticos dejando atrás las conocidas válvulas de vacío.

Un circuito integrado es un componente (chip o microchip) que acepta una serie de valores de entrada y devuelve unas salidas que dependerán de los valores dados. Estos valores son representados por un voltaje (Voltios).

Por convenio, en electrónica se utilizan dos valores dependiendo del voltaje:

• Valor Alto (High, H, 1 lógico): Dependiendo de la arquitectura del circuito integrado, puede representar un rango de valore de voltaje. Estos valores se aproximan a 5 Voltios.
• Valor Bajo (Low, L, 0 lógico): También se representa por un rango de valores, cercanos a 0 Voltios.

Ejemplo de rangos de volgaje arquitectura CMOS

Ejemplo de rangos de voltaje arquitectura TTL

Estos circuitos están constituidos por resistencias, condensadores, diodos, transistores y demás dispositivos eléctricos que permiten el paso de la señal. La señal que se introduce en cada entrada (voltaje alto o bajo) generará, a su paso por dicho circuito interno, unos valores concretos de salida. A su vez, estas resistencias, transistores, etc. forman las denominadas puertas lógicas.

Una puerta lógica es un es un dispositivo electrónico que ante unos valores lógicos de entrada (0, ó 1) ofrece unos valores lógicos de salida. Estos valores lógicos están representados por un voltaje concreto.

Sus operaciones vienen representadas por operaciones booleanes, como el AND el OR o el NOT.

Chips TTL con puertas lógicas AND de 2 y 3 entradas

Solo devuelve salida alta (5 V) si todas las entradas son altas. En caso contraria devuelve bajo (0 V). Su tabla de verdad es:

Devuelve valor bajo (0V) solo cuando todas sus entradas tienen valor bajo. En caso contrario alto (5V). Su tabla de verdad es:

Invierte el valor de la entrada. Solo tiene una entrada. Su tabla de verdad es la siguiente:

Los sistemas de numeración representan valores numéricos. Son el conjunto de reglas, convenios y símbolos (dígitos) que permiten expresar números. Normalmente trabajamos en el sistema de numeración decimal ó de base 10. Pero en informática tambien son muy utilizados los sistemas de base 2 y de base 16, y alguna vez el sistema de base 8.

Básicamente, la base indica el número de dígitos que utiliza el sistema de numeración para representar un valor. En el caso del sistema de numeración decimal, la base es 10, ya que utiliza los dígitos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9 para crear cualquier número.

Para calcular el valor de un número en sistema decimal mutiplicaremos cada digito por potencias de 10, dependiendo del lugar del dígito (unidades, decenas, centenas, millares, etc):

2345₁₀ = 5×10⁰ + 4×10¹ + 3×10² + 2×10³ = 5×1 + 4×10 + 3×100 + 2×1000 = 5 + 40 + 300 + 2000 → 2345

Es el sistema de numeración de las máquinas electrónicas. Consta de únicamente dos símbolos o dígitos (0 y 1).

Al igual que en los números decimales, cada dígito en un número binario tiene un peso que se incrementa según vamos desplazándonos por el número de derecha a izquierda. A cada dígito en el sistema de numeración binario se le denomina BIT (Binary Digit). Estos bits se agrupan cada 8, 16, 32 formando las denominadas palabras. A 8 bits se le denomina BYTE.

Las señales que usan los componentes electrónicos se representan mediante este sistema: las entradas y las salidas (high y low) de los circuitos integrados.

Al igual que ocurre en el sistema decimal, cada digito binario tiene un peso. Para calcular el valor decimal de un número binario podemos sucesivas multiplicaciones por potencias de 2::

11001010₂ → 0x2⁰ + 1×2¹ + 0x2² + 1×2³ + 0x2⁴ + 0x2⁵ + 1×2⁶ + 1×2⁷ = 2 + 8 + 64 + 128 = 202₁₀

Si me facilita las cosas, puedo verlo a través de la siguiente tabla:

Si sumo los valores de los dígitos que tienen valor (dígito 1), calculo su conversión: 11001010₂ → 2 + 8 + 64 + 128 = 202₁₀

Del mismo modo que para convertir un número a decimal hay que multiplicar, para convertir de decimal a binario se debe dividir entre 2:

Después vamos agrupando los restos de las sucesivas divisiones, desde el último resto al primero, para conformar el número binario.

A medida que vayamos trabajando con el sistema binario, me puede resultar cada vez más fácil convertir directamente mediante sumas utilizando una tabla como en el caso anterior, o directamente hacer las sumas de memoria:

Para calcular la conversión del numero 113₁₀ a binario puedo descomponerlo en los valores binarios a partir de una tabla:

• 113 no llega a 128, por lo que le primer bit en la tabla será 0
• está compuesto de 64, también de 32, y también de 16: 62 + 32 + 16 = 112
• por último debemos sumarle el último bit: 112 + 1 = 113

Y obtenemos: 01110001₂

Utiliza 8 símbolos que corresponden con los 8 primeros dígitos del sistema decimal (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7).

Para realizar la conversión de un número octal a su valor en el sistema decimal, aplicamos el mismo patrón que en cualquier otra base, peor multiplicando por potencias de 8:

247₈ → 7×8⁰ + 4×8¹ + 2×8² = 7 + 32 + 128 = 167₁₀

Utiliza 16 símbolos: los 10 primeros del sistema decimal y otros 6, empleando las 6 primeras letras del abecedario (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F)

Se utiliza para representar números binarios muy largos, como por ejemplo las direcciones de memoria.

Para convertir un número hexadecimal a su representación en decimal utilizamos el mismo patrón de los sitemas anteriores, pero multiplicando por potencias de base 16:

2AF₁₆ → F x 16⁰ + A x 16¹ + 2 x 16² = 15 x 1 + 10 x 16 + 2 x 256 = 15 + 160 + 256 = 431₁₀

Para convertir un número al sistema decimal, o desde el sistema decimal, debemos realizar las operaciones vistas en los puntos anteriores. Sin embargo cuando no necesitamos pasar por el sistema decimal, las conversiones se simplifican bastante:

Para convertir de octal a binario, se sustituye cada digito del numero en octal por su representación en binario, siempre en grupos de 3 bits:

271₈:

• 2₈ → 010₂
• 7₈ → 111₂
• 1₈ → 001₂

271₈ → 010 111 001₂

Para convertir de binario a octal cojo grupos de 3 bits de derecha a izquierda y se sustituye por su valor en octal:

1011010₂ → 001 011 010 (Creo grupos de 3 bits):

• 001₂ = 1₈
• 011₂ = 3₈
• 010₂ = 2₈

1011010₂ → 132₈

Para convertir de hexadecimal a binario sustituye cada digito del numero en hexadecimal por su representación en binario, siempre en grupos de 4 bits:

A2F₈:

• A₁₆ → 1010₂
• 2₁₆ → 0010₂
• F₁₆ → 1111₂

A2F₁₇ → 1010 0010 1111₂

Para convertir de binario a hexadecimal cojo grupos de 4 bits de derecha a izquierda y se sustituye por su valor en hexadecimal:

1001011010₂ → 0010 0101 1010 (Creo grupos de 4 bits):

• 0010₂ = 2₁₆
• 0101₂ = 5₁₆
• 1010₂ = A₁₆

1001011010₂ → 15A₁₆

Como hemos visto en este tema la información en los sistemas informáticos pasa de señales de voltaje ( voltaje alto/bajo) a representarse mediante dígitos binarios (1 y 0).

Todos los dispositivos de almacenamiento almacenan sus información en alguna representación del sistema binario:

• carga positiva o negativa en los condensadores (pendrives)
• voltaje alto o bajo en la puertas lógicas (memorias RAM)
• campo magnético positivo o negativo (discos duros magnéticos)

Si agrupamos los dígitos binarios tenemos las distintas unidades de medida de la información digital:

Además, hay un sistema de codificación llamado ASCII mediante el cual se permiten codificar los caracteres escritos mediante bytes.

Con este sistema podemos representar 256 caracteres con un solo byte (2⁸ = 256). Si escribimos un caracter en un fichero de texto, veremos que dicho fichero ocupa 1 byte. Y si escribimos 1024 caracteres veremos que pasa a ocupar 1 kb.

© 2024 Fernando Valdeón