ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA DE UNA COMPUTADORA


La primera pregunta que surge a un lector que recién comienza sus estudios en la ciencia informática es: ¿Qué es una computadora? Como primera respuesta, diremos que en esta publicación la mejor definición será aquella que reúna los aspectos comunes a todas las computadoras, desde una computadora personal hasta una supercomputadora, con prestaciones de baja, mediana o alta complejidad.

Un ordenador es un dispositivo electrónico, diseñado para aceptar datos de entrada y realizar operaciones sobre ellos (organizadas en una secuencia lógica y predeterminada por un algoritmo), para elaborar resultados que se puedan obtener como salidas. Un algoritmo computacional se determina por una secuencia de operaciones finita que permite resolver un problema computacional. Se representa con instrucciones que la computadora puede interpretar y ejecutar. Al conjunto de instrucciones que representa un algoritmo se lo denomina programa, expresado de otra manera, un programa es la representación de un algoritmo en un lenguaje de programación.

Los componentes de un ordenador son los dispositivos físicos que le permiten llevar a cabo su función, y que representaremos en el esquema de la siguiente figura.

Componentes de una computadora


El esquema anterior muestra tres cuadros en gris que constituyen la unidad central de proceso (CPU o Central Processing Unit) La "relación'" entre los distintos componentes y su diseño y tecnología, sea en un nivel de detalle como el presentado o en uno menos abstracto, se define como organización de una computadora. El set de instrucciones de una computadora permite representar los algoritmos que solucionan los problemas. Así que para definir la arquitectura de una computadora, a la descripción de los componentes le agregamos la descripción de la manera en que nos comunicamos con ella. Debemos explicar que puede hacer, es decir que es necesario conocer las instrucciones definidas para su CPU, los
tipos de datos con los que puede operar, las modalidades de acceso a ellos y la forma en que se atienden eventos externos. Cuando nos referimos a la "arquitectura" podemos indicar que una unidad de cálculo permite "determinada" operación con enteros, haciendo abstracción de cómo está implementada en hardware, razón por la cual el manual de un procesador del mercado actual, como el Itanium®, nos indica que la multiplicación de enteros se lleva a cabo en la unidad de cálculo de coma flotante, pero no especifica cómo lo hace. El texto tomado del manual dice así:

"La multiplicación de enteros se ejecuta en la unidad de coma flotante utilizando instrucciones de tipo XMA (instrucciones de tres operandos). Los operandos y el resultado de estas instrucciones se almacenan en registros de coma flotante..."


Cuando un profesional del área de sistemas piensa en términos de arquitectura, tiene en mente las demandas de procesamiento de información que requiere su área de trabajo. Es una mirada desde la funcionalidad de un sistema: se pregunta si necesitaría una o varios ordenadores personales, un servidor, una supercomputadora, que tipo de sistema operativo, etcétera.

Cuando un fabricante piensa en términos de arquitectura, tiene en mente las necesidades de procesamiento de un mercado determinado, no es lo mismo tabicar ordenadores para el hogar que servidores de red. Los desafíos que se han de resolver en cuanto al diseño de una computadora tienen que ver con la funcionalidad, el alto rendimiento, el bajo costo y la inserción en el mercado.

En el concepto de arquitectura de computadoras se considera la descripción de las características visibles relativas a las prestaciones que una determinada configuración interna de computadoras puede brindar. Como ya indicamos, este concepto incluye los aspectos relacionados con el formato del conjunto de instrucciones que el procesador pueda ejecutar, la representación interna de los datos y el estudio de los módulos de hardware que sostienen la dinámica del conjunto, desde la perspectiva del sistema informático.

La organización de una computadora permite la identificación de los componentes desde el punto de vista de su estructura, la manera en que se relacionan entre si y las cuestiones de índole tecnológico.

En nuestras publicaciones tratamos ambos conceptos en los distintos niveles desde los que se puede
enfocar el estudio de un ordenador como herramienta automática en el procesamiento de
datos.

Escrito por Archie Tecnology
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REGISTRADORES DE DATOS

Uso del término registradores de datos

El término registradores de datos se usa para los sistemas DAQ que se pueden usar desde un ordenador. Una vez instalado el programa por una computadora, puede ponerse en una tarjeta de memoria la cual puede ser insertada dentro de un registrador o hacer que alguien baje el programa a ésta desde un ordenador, permitiéndole así llevar a cabo las funciones DAQ requeridas.

La siguiente figura muestra algunos elementos básicos de un registrador de datos.

Sistema de registro de datos


Elementos de los registradores de datos

Dicha unidad puede monitorear las entradas desde una gran cantidad de sensores. Las entradas desde los sensores individuales, después de un acondicionamiento de señal adecuado, son alimentados dentro del multiplexor. El multiplexor se utiliza para seleccionar una señal que luego es alimentada,
después de la amplificación, al convertidor analógico a digital. La señal digital luego es procesada mediante un microprocesador. El microprocesador es capaz de desempeñar operaciones aritméticas sencillas, tal vez tomando el promedio de un número de mediciones. La entrada desde el sistema puede ser desplegada en un medidor digital que indica la salida y el numero de canal, que se usa para dar un registro permanente con una impresora, almacenado en un disco suave o quizás transferido a una computadora para su análisis.

Puesto que los registradores de datos a menudo se utilizan con termopares, a menudo son entradas especiales para termopares, éstos ofrecen compensación de unión fría y linealización. El multiplexor puede ser cambiado a cada sensor a su vez y así la salida consiste en una secuencia de muestras. La exploración de las entradas se puede seleccionar al programar el microprocesador para cambiar el
multiplexor para mostrar un solo canal, llevar a cabo una exploración sencilla de todos los canales, una exploración continua de todos los canales, o tal vez una exploración periódica de todos los canales, es decir, cada 1, 5, 15, 30 ó 60 minutos.

Entradas de los registradores de datos

Es común que un registrador de datos pueda manejar de 20 a 100 entradas, aunque algunos pueden manejar un número más considerable, tal vez hasta 1000. Este puede tener una muestra y una conversión de tiempo de 10 µs y utilizarse para realizar quizás 1000 lecturas por segundo. La precisión es por lo común alrededor de 0.01% de la entrada a completa escala y la linealidad es cerca de +-0.005% de la entrada de la escala completa. Por lo general, la diafonía es de 0.01% de la entrada de la escala completa en cualquier entrada. El término diafonía se emplea para describir la interfase que puede ocurrir cuando un sensor está siendo mostrado como resultado de las señales desde otros sensores.

Escrito por Archie Tecnology
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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Término adquisición de datos DAQ 

El término adquisición de datos (DAQ) suele usarse con frecuencia en sistemas en cuyas entradas desde los sensores están convertidas a la forma digital para procesamiento, análisis y exhibición en un ordenador. Por lo tanto, los sistemas contienen: sensores, cableado para conectar los sensores para el acondicionamiento de señal para llevar a cabo tal vez la filtración y la amplificación, la adquisición de datos del hardware para desempeñar funciones como conversión de entrada a formato digital y conversión de señales de salida al formato análogo para los sistemas de control, la computadora y el software de adquisición de datos. El software lleva a cabo análisis de las señales de entrada digitales. 
Dichos sistemas están también diseñados para ejercer funciones de control.

Computadora con tarjetas con clavijas


La siguiente figura muestra los elementos básicos de un sistema de adquisición de datos que utiliza tarjetas con clavijas con una computadora para el hardware de adquisición de datos. 

Sistema de adquisición de datos


El acondicionamiento de señal anterior a las entradas de la tarjeta depende de los sensores involucrados, es decir, éste puede ser para termopares: amplificación, compensación de juntas frías y linealızación; para galgas extensométricas: puente de Wheatstone, suministro de voltaje para el puente y linealización; para RTDs: suministro de corriente, circuitería y linealización.

Al seleccionar el tablero DAQ para usar los siguientes criterios se debe tomar en cuenta:

  1. ¿Qué tipo de sistema de software de ordenador se está usando, es decir, Windows, MacOS?
  2. ¿Qué tipo de conector es el conectado al tablero, es decir, PCMCIA para laptops, Nubus para MacOS, PCI?
  3. ¿Cuántas entradas análogas se requerirán y cuales son sus rangos?
  4. ¿Cuántas entradas digitales se requerirán?
  5. ¿Qué resolución será requerida?
  6. ¿Cuál es la velocidad de muestreo mínima requerida?
  7. ¿Se requiere alguna señal de tiempo y conteo?

Elementos de un tablero DAQ

La figura siguiente muestra los elementos básicos de un tablero DAQ

Elementos de tablero DAQ


Algunos tableros serán designados sólo para manejar entradas/salidas análogas y otras entradas/salidas digitales.

Todos los tableros DAQ usan conductores, software suministrado por lo general por el fabricante del tablero con un tablero, para comunicar con la computadora y decirle qué ha sido insertado y como puede la computadora comunicarse con el tablero. Antes de que se pueda usar un tablero, se deben establecer tres parámetros. Estas son las direcciones de los canales de entrada y salida, el nivel de
interruptor y el canal a ser usado para el acceso de memoria directo. Con los tableros 'plug and play' para uso con el software Windows, estos parámetros son instalados por el software; de otra manera, los microinterruptores deben ser instalados en la tarjeta de acuerdo con las instrucciones en el manual provisto con el tablero.

La aplicación del software puede usarse para ayudar en el diseño de los sistemas de medición y los análisis de datos. Como ejemplo del tipo de software de aplicación disponible, LabVIEW es un paquete de software de programación gráfica desarrollado por National Instruments para la adquisición de datos y control de instrumento. Los programas de LabVIEW son llamados instrumentos virtuales porque en apariencia y operación imitan instrumentos reales. Un instrumento virtual cuenta con tres partes: un panel frontal que es la interfase de usuario interactiva y simula el panel frontal de un instrumento que contiene control de mandos, botones para presionar y displays gráficos; un diagrama de bloque que es el código fuente para el programa con la programación hecha de manera gráfica al dibujar líneas entre los puntos de conexión en los iconos seleccionados en la pantalla de la computadora, y representación como icono y conector que puede ofrecer una representación gráfica del instrumento virtual si éste es requerido para su uso en otros diagramas de bloque.

Icono de entrada analógica: a) entrada sencilla, b) para muestreo desde una cantidad de canales

La anterior figura el apartado a) muestra el icono seleccionado para un instrumento virtual donde una muestra análoga se obtiene desde un canal de entrada específico, una vez seleccionado el icono desde la paleta de Entrada Análoga. El dispositivo es el número de dispositivo asignado al tablero de DAQ, el 'canal' es la fuente de los datos, una 'muestra es una conversión análoga a digital', y 'limite alto' y 'limite bajo' son los limites de voltaje que se espera para la señal (el predeterminado es +10V y -10 V y al cambiar estos valores automáticamente cambia la ganancia del amplificador en el tablero de DAQ).

Si queremos una forma de onda para cada canal en una cuerda de canal designada luego el icono mostrado en la anterior figura b) puede ser seleccionado.

Para cada canal de entrada se requiere un juego de muestras sobre un periodo, a una velocidad de muestreo especifica, y da una onda de salida que muestra cómo la cantidad análoga varía con el tiempo.

Al conectar otros iconos, por decir, el icono de arriba, un diagrama de bloque se puede construir y puede tomar las entradas desde una cantidad de canales análogos, muestreándolos en secuencia y desplegando los resultados como una secuencia de gráficos. El tipo de pantalla de panel frontal que tal
vez se tiene para una muestra de adquisición DAQ y pantalla se muestra en ésta otra figura. 



Al usar las flechas de arriba y de abajo los parámetros pueden cambiarse y se puede observar la pantalla resultante.

Los instrumentos virtuales tienen una gran ventaja sobre los instrumentos tradicionales en los que el vendedor de un instrumento tradicional determina sus características e interfase mientras que con un instrumento virtual todos estos pueden definirse por el usuario y fácilmente cambiarse.

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PANTALLAS DE CRISTAL LÍQUIDO

Funcionamiento de las pantallas de cristal líquido


Las pantallas de cristal líquido no producen luz por sí mismas, pero reflejan o transmiten luz. El cristal liquido es un compuesto de largas moléculas en forma de varilla que está entre dos placas de polímero que contienen surcos microscópicos. Los surcos de las hojas superior e inferior están a 90º entre si.

Las moléculas del cristal líquido se alinean con los surcos del polímero y dan un leve giro para quedar a 90° entre ellos (como vemos en esta figura).

Cristal líquido: a) sin campo eléctrico, b) con campo eléctrico


Cuando una luz polarizada en un plano incide en el cristal líquido, su plano de polarización gira conforme pasa por el material. Al quedar entre dos placas de polarizador, cuyas direcciones de transmisión están en ángulo recto, el giro permite la transmisión de la luz y el material líquido se ilumina.

En cambio, si se aplica un campo eléctrico a través del material, las moléculas se alinean con este campo y la luz que pasa por el polarizador superior no gira y no puede llegar al polarizador inferior, por lo que al final la luz es absorbida. El material, entonces, aparece oscuro.

Este arreglo se coloca entre dos placas de vidrio que contienen electrodos transparentes en la forma que se requiere desplegar. Un display de LED puede ser transmisor o reflector. En el caso del display transmisor la pantalla recibe iluminación desde la parte posterior. Cuando la rotación del plano de
polarización permite que la luz se transmita la pantalla se ilumina; de lo contrario permanece oscura. En el display reflector hay una superficie de reflexión detrás de los cristales, de manera que cuando la luz incide en ella pasa través del display, se refleja detrás y de ese modo en el display aparece la
luz. Cuando la luz que incide no puede pasar a través del display, éste se ve oscuro.

Los LCDs están disponibles en muchos segmentos de capas, inclusive en un display de siete segmentos semejante al display LED de siete segmentos.

La aplicación de voltajes a los diversos elementos del display hace que donde no hay campo eléctrico en ellos aparezca negro contra el display más claro.

Para encender un segmento, se utiliza un campo eléctrico de c.a. de unos 3 a 12 V. El voltaje controlador no debe ser de c.d. sino de c.a. dado que los voltajes de c.d. generan reacciones que destruyen los cristales. Los LCD tiene una respuesta en tiempo relativa, por lo común de 100 a 150 ms. 
Su consumo de potencia es bajo.

Los LCD también están disponibles como displays de matriz de puntos; incluso, como módulos de LCD con displays de una o más filas de caracteres, por ejemplo se cuenta con un display de dos filas de 40 caracteres.

Se cuenta con controladores de circuitos integrados para controlar LEDs.

Así, el MC14543B se puede emplear para un display de LCD de siete segmentos. Los controladores se utilizan para cuando la entrada está en código BCD. Un display de matriz de puntos de 5 x 8 se puede controlar mediante el controlador MC145000. Hay displays combinados con controladores. Por ejemplo, el LMO18L de Hitachi es un módulo LCD del tipo reflector de 40 caracteres x 2 líneas con un controlador integrado HD44780 el cual proporciona un rango de características, incluyendo un 192 de caracteres de 5 x 7 puntos mas 8 caracteres de usuario definido y por tanto se puede hacer una
interfase directa con un microprocesador de 4 u 8 bits.

Los LED son la forma de display que se utilizan en aparatos operados por baterías como los teléfonos celulares, lavadoras y calculadoras.

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