A-Level Ciencias de la Computación

Los tres sistemas numéricos 数制 que debes usar:

• decimal 十进制 (denary, base 10) — usa los dígitos 0–9. Los valores de posición son potencias de diez.
• binario 二进制 (base 2) — usa 0 y 1. Los valores de posición son potencias de dos. Cada byte 字节 está formado por 8 bits 位.
• hexadecimal 十六进制 (base 16) — usa 0–9 seguido de A–F para representar 10–15. Cada dígito hexadecimal representa exactamente 4 bits.

Conversiones

Decimal → binario: sigue dividiendo entre 2 y anota los residuos; léelos de abajo hacia arriba. O bien, resta el mayor valor de posición 位值 (potencia de 2) que quepa.

Ejemplo: $558_{10}$: $558 = 512 + 32 + 8 + 4 + 2 = 2^{9} + 2^{5} + 2^{3} + 2^{2} + 2^{1}$. En 12 bits: 0010 0010 1110.

Binario → hexadecimal: agrupa los bits en nibbles 半字节 (4 bits) desde la derecha y convierte cada grupo. 0010 0010 1110 → 2 2 E → 22E.

Hexadecimal → binario: sustituye cada dígito hexadecimal por su patrón de 4 bits. Hexadecimal → decimal: multiplica cada dígito por su valor de posición. 22E $= 2 \times 256 + 2 \times 16 + 14 = 558$.

Ejercicio resuelto. Convierte el decimal 200 a binario de 8 bits y luego a hexadecimal.

$200 = 128 + 64 + 8$, por lo tanto el binario es 11001000. Agrupado en nibbles, 1100 1000 y $= 12$ $8$, es decir, $\text{C}$ y $8$, así que el hexadecimal es C8.

¿Cuántos bits?

Las preguntas de examen fijan el ancho del registro 寄存器宽度 (8, 12 o 16 bits). Rellena con ceros a la izquierda hasta alcanzar ese ancho: $558$ en 12 bits es 0010 0010 1110, nunca 10 0010 1110.

Para encontrar el número mínimo de bits necesarios para almacenar un valor, pregunta qué valores de posición necesitas:

• Un entero sin signo desde $0$ hasta $2^{n} - 1$ necesita $n$ bits: $200$ necesita 8 bits (el máximo es $255$), $1000$ necesita 10 bits (el máximo es $1023$), $16$ necesita 5 bits (4 bits se detienen en $15$).
• Un entero en complemento a dos desde $-2^{n-1}$ hasta $2^{n-1} - 1$ necesita $n$ bits: $-200$ necesita 9 bits, porque 8 bits se detienen en $-128$.
• Un dígito hexadecimal necesita 4 bits, un dígito BCD necesita 4 bits y un carácter ASCII necesita 7 bits (8 para ASCII extendido).

Prefijos binarios vs decimales

Dos familias de prefijos parecen similares pero difieren — decimal (potencias de 10) y binario (potencias de 2):

Por lo tanto, un tebibyte (TiB) es ligeramente mayor que un terabyte (TB). Una unidad de almacenamiento marcada como "1 TB" contiene $10^{12}$ bytes, pero un sistema operativo que informa en TiB mostrará un número menor.

Suma binaria

Se suma columna por columna de derecha a izquierda, llevándolos tal como se hace en decimal:

Desbordamiento (Overflow) ocurre cuando el resultado necesita más bits de los que puede contener el registro; el acarreo saliente de la columna más a la izquierda es el bit de desbordamiento.

Ejemplo resuelto. Sume los enteros sin signo de 8 bits $10110101$ y $01101100$, y comente sobre el resultado.

$10110101 + 01101100 = 1\,00100001$. La respuesta necesita 9 bits, por lo que no cabe en un registro de 8 bits: ha ocurrido un desbordamiento. Una respuesta completa debe nombrar el error y explicar por qué, utilizando el tamaño de palabra dado en la pregunta: "Desbordamiento: el resultado real ($289$) es mayor que el valor máximo que puede contener un registro de 8 bits ($255$), por lo que el acarreo saliente del bit más significativo se pierde y el resultado almacenado ($00100001 = 33$) es incorrecto."

Resta binaria

La forma habitual es mediante la suma del complemento a dos: para realizar $A - B$, forme el complemento a dos de $B$ (invierta cada bit y sume 1), luego sume y descarte cualquier acarreo saliente final.

Para restar $00011110$ de $01100100$ (sin signo, 8 bits):

• Complemento a dos de $00011110$: invertir → $11100001$, sumar 1 → $11100010$.
• Sumar a $01100100$: resultado $1\,01000110$ (9 bits) — descarte el 1 inicial → $01000110 = 70_{10}$. Verificación: $100 - 30 = 70$. ✓

Enteros con signo en complemento a dos

En un número en complemento a dos de $n$ bits:

• El bit más significativo (MSB) es el bit de signo: 0 = positivo, 1 = negativo.
• Para leer un número negativo: invierta cada bit, sume 1 y luego cambie el signo.

Así, $11100010$ es negativo; invierte → $00011101$, suma 1 → $00011110 = 30$, por lo que es $-30$. Esto es un entero con signo (a diferencia de uno sin signo). El rango para $n$ bits es de $-2^{n-1}$ a $+2^{n-1} - 1$; para 8 bits, de $-128$ ($10000000$) a $+127$ ($01111111$).

Los mismos bits significan diferentes números dependiendo de la lectura acordada. Como un entero sin signo, cada bit es un valor posicional, por lo que 8 bits van desde $0$ hasta $255$; como un entero signado en complemento a dos, el bit superior es el signo, por lo que los mismos 8 bits van desde $-128$ hasta $+127$. El patrón $11111111$ representa $255$ leído de una manera y $-1$ leído de la otra —nada en los propios bits indica cuál es la correcta.

El mismo byte leído como sin signo y como signado: solo la interpretación acordada los distingue Complemento a dos de 8 bits: el bit de signo divide el rango en negativo ($-128$ a $-1$) y positivo ($0$ a $127$)

Ejemplo resuelto. ¿Qué valor decimal representa el número en complemento a dos de 8 bits $10110100$?

El MSB es 1, por lo tanto es negativo. Invertir → $01001011$, sumar 1 → $01001100 = 76$, por lo tanto el valor es $-76$. Verificar con valores posicionales: $-128 + 32 + 16 + 4 = -76$.

Ejemplo resuelto. Escribir $-108$ como un entero en complemento a dos de 12 bits.

Empezar con $+108$ en 12 bits: $108 = 64 + 32 + 8 + 4$, por lo tanto 0000 0110 1100. Invertir cada bit: 1111 1001 0011. Sumar 1: 1111 1001 0100. Verificar con valores posicionales, donde el bit superior vale $-2^{11} = -2048$: $-2048 + 1024 + 512 + 256 + 128 + 16 + 4 = -108$. ✓

Para 12 bits, el rango va de $-2048$ (1000 0000 0000) hasta $+2047$ (0111 1111 1111). Las preguntas que solicitan los valores más pequeños y más grandes buscan estos dos patrones específicos, por lo que se debe aprender la regla: el número más negativo es un 1 seguido de ceros; el más positivo es un 0 seguido de unos.

Un corrimiento aritmético 算术移位 mueve cada bit hacia la izquierda o hacia la derecha pero mantiene el signo: un corrimiento a la derecha por una posición reduce a la mitad el valor y copia el bit de signo en el espacio vacío a la izquierda, por lo que un número negativo permanece negativo (1111 1001 0100 desplazado tres posiciones a la derecha es 1111 1111 0010, que equivale a $-14$: $-108 / 8 = -13.5$, y un corrimiento a la derecha redondea hacia abajo). Un corrimiento a la izquierda duplica el valor. Los corrimientos pertenecen al conjunto de instrucciones de ensamblaje en el tema 4, pero esta pregunta se formula en el contexto del trabajo numérico aquí tratado.

El desbordamiento en aritmética signada ocurre cuando el resultado real cae fuera de este rango —se detecta cuando el bit de signo cambia incorrectamente (dos positivos dando como resultado un negativo, o dos negativos dando como resultado un positivo).

Complemento a uno

Antes del complemento a dos, un esquema más antiguo llamado complemento a uno 反码 representaba un número negativo simplemente invertiendo todos los bits del positivo —no existe el paso de "sumar 1".

• $+30 = 00011110$, por lo tanto en complemento a uno $-30 = 11100001$ (solo el inverso).
• Desventaja: tiene dos ceros —$00000000$ ($+0$) y $11111111$ ($-0$)— lo cual desperdicia un patrón de bits y complica la aritmética.

El complemento a dos (invertir y sumar 1) elimina el cero negativo: tiene un único cero y permite que la suma y la resta utilicen el mismo circuito. Por eso las computadoras modernas almacenan enteros signados en complemento a dos, no en complemento a uno.

En BCD (código decimal binario), cada dígito decimal se escribe como su propio patrón de 4 bits. El número $93$ es 1001 0011 en BCD — no el binario 93 ($01011101$). Cada nibble usa solo 0–9; los patrones $1010$–$1111$ son inválidos.

Lectura BCD: 0010 0111 0101 → 2, 7, 5 → 275.

Uso: calculadoras, relojes digitales y dispositivos que muestran dígitos decimales — cada dígito acciona un pantalla de 7 segmentos (七段显示器). Los códigos de divisa suelen usar BCD para evitar errores de redondeo al convertir fracciones como 0.1 a binario.

Una respuesta de "justificación" debe vincular el uso con una propiedad del BCD: cada dígito decimal tiene sus propios 4 bits, por lo que un dígito puede enviarse directamente a su pantalla o sumarse dígito por dígito, sin conversión de todo el número; y una fracción decimal como $0.10$ se almacena exactamente, algo que una fracción binaria no puede hacer.

El hexadecimal es una forma compacta de escribir binario (1 dígito hex = 4 bits):

• direcciones de memoria (内存地址) en programación de bajo nivel — 0x7FFE.
• valores de color en HTML/CSS — #FF8800.
• direcciones MAC — AC:DE:48:00:11:22.

El hexadecimal no cambia los datos almacenados — solo hace el binario más fácil para los humanos.

Las computadoras almacenan texto como números; cada carácter tiene un punto de código (码点) numérico definido por un juego de caracteres (字符集).

ASCII

• ASCII usa 7 bits — 128 puntos de código. Letras latinas básicas, dígitos, puntuación y códigos de control.
• ASCII extendido usa 8 bits — 256 puntos de código; los primeros 128 coinciden con ASCII, los últimos 128 varían según la región.

Unicode

• Unicode es un juego de caracteres universal que cubre casi todos los alfabetos, además de símbolos y emojis.
• codificaciones (编码) comunes: UTF-8 (1–4 bytes, compatible con ASCII), UTF-16 (2 o 4 bytes), UTF-32 (fijo de 4 bytes).

Por qué Unicode supera a ASCII

• representa mucho más caracteres (todos los alfabetos, emojis); ASCII cubre solo inglés básico.
• los archivos son portátiles sin confusión de páginas de código, y permiten texto multilingüe en un solo documento.
• compromiso: los archivos Unicode suelen ser más grandes para texto en inglés únicamente.

Cuando una pregunta pide diferencias, da las respuestas en pares con números: ASCII usa 7 bits (ASCII extendido 8), así que 128 (256) caracteres; Unicode usa hasta 32 bits (UTF-8 usa de 1 a 4 bytes), así que más de un millón de puntos de código. ASCII cubre solo inglés básico; Unicode cubre todos los alfabetos, y sus primeros 128 puntos de código son los de ASCII. En UTF-8, una letra en inglés aún ocupa 1 byte, así que un nombre de archivo en inglés de 40 letras mide 40 bytes tanto en ASCII como en UTF-8, mientras que un carácter chino ocupa 3 bytes.

Una imagen bitmap (también llamada imagen bitmap) almacena el color de cada píxel (像素) en una cuadrícula. Al inicio del archivo, un encabezado de archivo (文件头) registra los metadatos de la imagen — su ancho, alto y profundidad de color — para que el software sepa cómo leer los datos de píxeles que siguen.

• resolución de imagen (图像分辨率): el tamaño propio del bitmap, ancho × alto en píxeles (ej. 1920 × 1080).
• resolución de pantalla (屏幕 resolución): el ancho × alto que el pantalla puede mostrar. Si la resolución de una imagen es mayor que la pantalla, se escala hacia abajo para caber; una imagen de baja resolución se ve pixelada al estirarla sobre una pantalla de mayor resolución.
• profundidad de color 颜色深度 (profundidad de bits 位深度): bits por píxel. 1 bit → blanco y negro; 8 bits → 256 colores; 24 bits → 16.7 millones ("color verdadero").

Tamaño de archivo

Divide entre 8 para bytes, entre 1024 para KiB, etc. Ejemplo: una imagen $3000 \times 2000$ a 24 bpp es $3000 \times 2000 \times 24 = 1.44 \times 10^{8}$ bits $\approx 17.2\ \text{MiB}$.

Indica las unidades que usaste. La rúbrica acepta $1\ \text{MB} = 10^{6}$ bytes (el prefijo SI) o $1\ \text{MiB} = 1024 \times 1024$ bytes (el prefijo binario), siempre que tu procedimiento muestre cuál usaste; la misma imagen mide $18.0\ \text{MB}$ o $17.2\ \text{MiB}$. Añade el tamaño del encabezado de archivo si la pregunta te lo proporciona.

Un video es una secuencia de imágenes bitmap, cada una es un frame (帧). Antes de la compresión, su tamaño es el de un frame $\times$ la velocidad de fotogramas (帧率) (fotogramas por segundo) $\times$ la duración en segundos: 30 fotogramas por segundo de $1920 \times 1080$ píxeles a 24 bits es $30 \times 1920 \times 1080 \times 24 \approx 1.5 \times 10^{9}$ bits, aproximadamente $187\ \text{MB}$, por cada segundo. Por eso el video siempre se comprime.

Cambiar configuraciones

• menor resolución → archivo más pequeño, menos detalle (se ve pixelado al ampliarse).
• menor profundidad de color → archivo más pequeño, pero los degradados suaves muestran bandas.
• mayor de cualquiera de los dos → archivo más grande, mejor calidad.

Un gráfico vectorial (矢量图形) almacena las instrucciones para dibujar la imagen como una lista de dibujo (绘图列表) — una lista ordenada de objetos de dibujo (绘图对象) (primitivas geométricas 图元: líneas, curvas, polígonos, círculos). Cada objeto de dibujo tiene propiedades (属性) como color, relleno, grosor de línea y posición (coordenadas). Para mostrarlo, el programa renderiza (渲染) la lista de dibujo a cualquier resolución necesaria.

Bitmap vs vector

Ventaja vectorial: escala sin perder calidad — un logo vectorial permanece nítido a cualquier tamaño, mientras que un bitmap se desenfoca al ampliarse. Desventaja vectorial: no puede describir arbitrary detalle de píxeles (fotografías).

Una respuesta de "justificación" vincula la elección con la tarea. "El logo debe aparecer en una tarjeta de visita y en un cartel publicitario, por lo que debería ser un gráfico vectorial: se almacena como objetos de dibujo y se renderiza con nitidez a cualquier tamaño, mientras que un bitmap mostraría sus píxeles al ampliarse." Para una fotografía el argumento funciona a la inversa: no hay formas que describir, por lo que el color de cada píxel debe almacenarse.

Una onda continua de datos analógicos 模拟数据 (el sonido) se convierte en datos digitales 数字数据 mediante el muestreo 采样:

• frecuencia de muestreo 采样率 — muestras por segundo (Hz). La calidad CD es $44.1\ \text{kHz}$.
• resolución de muestreo 采样分辨率 (profundidad de bits) — bits por muestra de amplitud 振幅. La calidad CD es 16 bits.

Tamaño de archivo

Un clip estéreo CD de 10 segundos: $44100 \times 16 \times 10 \times 2 = 14\,112\,000$ bits $\approx 1.68\ \text{MiB}$.

Cambiar configuraciones

• mayor frecuencia de muestreo → capta tonos más agudos, archivo más grande.
• mayor resolución de muestreo → pasos de amplitud más finos, menos ruido de cuantificación 量化, archivo más grande.
• menor cualquiera de ellos → archivo más pequeño, pérdida clara de calidad.

(La frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta que desees mantener.)

La compresión 压缩 reduce el tamaño del archivo, ahorrando almacenamiento y ancho de banda 带宽 para la transmisión. Dos tipos:

• sin pérdida 无损 — los datos originales se recuperan exactamente (texto, programas, ZIP/PNG).
• con pérdida 有损 — se descarta algún detalle para obtener archivos mucho más pequeños (JPEG, MP3, vídeo).

Cuándo usar cada uno

• sin pérdida para documentos, código fuente, imágenes médicas: cualquier cosa que necesite datos exactos.
• con pérdida para medios en streaming. El vídeo en streaming en tiempo real usa compresión con pérdida porque debe enviar grandes cantidades de datos en tiempo real sobre ancho de banda limitado; la sin pérdida no lo reduciría lo suficiente. El vídeo HD sin comprimir pesa gigabytes por minuto, así que sin compresión la imagen seguiría congelándose.

Una respuesta "justificar" menciona el método y luego la razón derivada de la situación: "Sin pérdida, porque la hoja de cálculo debe restaurarse exactamente; un único valor cambiado haría que las cuentas estuvieran mal". O: "Con pérdida, porque las fotografías se ven en una pantalla de teléfono donde el detalle descartado no es visible, y los archivos más pequeños se cargan más rápido y ocupan menos almacenamiento".

Métodos sin pérdida

• código de longitud de corrida 行程编码 (RLE): almacena "los siguientes $n$ valores son $x$" en lugar de repetir $x$. Ideal para zonas planas; inútil para datos ruidosos.
• métodos de diccionario 字典编码 (ZIP, PNG): reemplazan secuencias repetidas de bytes con una referencia corta. Bueno para texto y código.
• codificación Huffman 霍夫曼编码: asigna códigos cortos a símbolos comunes y largos a raros, acercando la longitud promedio del código a la entropía 熵 de los datos.

Cómo se comprime cada tipo de archivo:

• archivo de texto: los métodos de diccionario y la codificación Huffman convierten palabras repetidas y caracteres comunes en códigos cortos. El texto debe permanecer sin pérdida, porque un solo carácter cambiado altera el significado.
• imagen bitmap: RLE para series de píxeles idénticos (iconos, diagramas, escaneados en blanco y negro); JPEG con pérdida para fotografías, o menor profundidad de color o resolución.
• gráfico vectorial: la lista de dibujo ya es pequeña; eliminar objetos de dibujo innecesarios, almacenar coordenadas con menos decimales, o aplicar un método sin pérdida como ZIP al archivo.
• archivo de sonido: MP3 o AAC con pérdida elimina lo que el oído no puede escuchar; una frecuencia o resolución de muestreo menor también es con pérdida; los formatos sin pérdida mantienen cada muestra y reducen el archivo significativamente menos.

Métodos con pérdida

• imágenes (JPEG): descarta detalles finos y diferencias de color que el ojo apenas percibe.
• sonido (MP3, AAC): descarta tonos que escuchamos peor y sonidos silenciosos ocultados por otros más fuertes.
• vídeo combina compresión espacial 空间 (dentro de cada fotograma, como JPEG) con compresión temporal 时间 (la mayoría de los fotogramas solo almacenan las diferencias respecto al fotograma anterior).

Una pregunta de definición se califica según un texto fijo. Aprende estas definiciones exactamente, y da solo una respuesta.

• Mostrar el procedimiento para conversiones de bases: decimal → binario por posiciones, binario → hexadecimal en nibbles (grupos de 4 bits).
• Para el complemento a dos, el bit más significativo es negativo; para negar, invertir y sumar 1; tener cuidado con el desbordamiento cuando el bit de signo cambia incorrectamente.
• Diferenciar entre mapa de bits (píxeles; tamaño del archivo $=$ ancho $\times$ alto $\times$ profundidad de color) y vectorial (comandos de dibujo; escala sin pérdida).
• El tamaño de un archivo de sonido depende de la tasa de muestreo $\times$ profundidad de bits $\times$ tiempo: mayor cantidad de cada uno implica mejor calidad pero un archivo más grande.
• Comparar la compresión sin pérdidas vs con pérdidas y dar un uso para cada una.

Errores comunes

• Explicar un desbordamiento diciendo "la respuesta fue mayor que 255" o "tiene 9 bits". Indicar el tamaño de palabra dado en la pregunta, luego afirmar que el resultado no puede representarse en él.
• Crear un número negativo estableciendo el bit superior en 1 y dejando el resto igual (signo y magnitud). El complemento a dos significa invertir todos los bits del valor positivo, luego sumar 1.
• Olvidar rellenar con ceros un número convertido hasta alcanzar el ancho de registro que pide la pregunta.
• Mezclar bits y bytes en un cálculo del tamaño de un archivo. Trabajar en bits, dividir entre 8 una sola vez, e indicar si se usaron 1000 o 1024.
• Responder "describe" con lenguaje cotidiano ("la imagen empeora"). Usar los términos del programa: menos colores, banda de color, menor resolución de imagen, píxeles más grandes.

Una roja 网络 es un conjunto de dispositivos informáticos conectados para poder comunicarse y compartir recursos. Ventajas:

• compartir recursos (impresoras, servidores de archivos, internet) — más barato que equipar cada ordenador.
• compartir datos — muchos usuarios acceden a los mismos archivos.
• gestión centralizada — instalar software, gestionar usuarios y hacer copias de seguridad una sola vez en un servidor.
• communication — email, video calls, messaging.
• remote access — work from anywhere.

Una red de área local 局域网 (LAN) cubre un área pequeña — una casa, oficina o escuela, generalmente propiedad de la organización, con altas tasas de datos y baja latencia 延迟.

Una red de área amplia 广域网 (WAN) cubre un gran área — una ciudad, país o el mundo (internet es la WAN más grande). Utiliza infraestructura de compañías de telecomunicaciones — a menudo la Red Telefónica Pública Conmutada 公共交换电话网 (PSTN), líneas arrendadas o fibra — con tasas de datos más bajas y mayor latencia. Una WAN conecta LANs entre sí.

Para "dar dos características de una LAN": cubre un área geográfica pequeña (un sitio o edificio); el hardware es propiedad de la organización, no alquilado a una empresa de telecomunicaciones; se conecta mediante sus propios switches, cables y puntos de acceso. Para "dos formas en que una WAN es diferente": cubre un área geográfica grande; utiliza infraestructura de terceros (alquilada o pública); las velocidades de datos son menores y la latencia mayor; generalmente une varias LANs. Una escuela en un solo sitio es una LAN; una empresa con oficinas en dos ciudades necesita una WAN, con una línea alquilada o internet entre los sitios. Justifique la elección con el área cubierta y quién posee los enlaces.

Client-server

• máquinas potentes actúan como servidores 服务器, proporcionando servicios (archivos, páginas web, correo electrónico).
• other machines are clients 客户端 that request services.
• centralizadas y fáciles de gestionar, pero el servidor es un único punto de fallo si no está respaldado.

Peer-to-peer (P2P)

• todas las máquinas son pares iguales; cada una puede ser tanto cliente como servidor (peer-to-peer 对等网络).
• los recursos se distribuyen entre los pares — sin servidor central. Robusto ante un fallo individual, pero más difícil de mantener seguro y consistente.

Elegir un modelo. El modelo cliente-servidor se adapta a una escuela o negocio: los archivos se almacenan y respaldan centralmente, un usuario inicia sesión con una cuenta desde cualquier máquina, el software y la seguridad se gestionan una sola vez, y el servidor puede ser una máquina potente. Las desventajas son el costo del servidor y de un técnico, y que el servidor es un único punto de fallo. El modelo peer-to-peer (punto a punto) se adapta a unos pocos amigos compartiendo archivos o jugando: no hay servidor que comprar, fácil de configurar, y cada usuario mantiene el control de su propia máquina. Las desventajas que enumera el esquema: los archivos están distribuidos en muchas máquinas, por lo que son difíciles de respaldar y un archivo no está disponible cuando la máquina de su propietario está apagada; cada máquina debe protegerse por separado; y un par que sirve a los demás ralentiza. Un juego en línea jugado a través de un navegador web con otros usuarios es el modelo cliente-servidor: el navegador es el cliente, y el juego y su mundo virtual compartido se ejecutan en el servidor de la empresa, que mantiene consistente la vista de cada jugador.

Un cliente ligero 瘦 cliente realiza poco procesamiento local y depende de un servidor potente (terminales web, escritorios remotos). Un cliente grueso 胖 cliente tiene fuerte capacidad de procesamiento y almacenamiento local y ejecuta aplicaciones completas por sí mismo (un PC de escritorio normal).

Los roles: en un modelo de cliente ligero (thin-client) el servidor realiza el procesamiento y almacena los datos, y el cliente solo envía entradas y muestra la salida. Basta con un terminal barato, y todo se respalda y actualiza en el servidor, pero nada funciona si falla la red o el servidor. En un modelo de cliente grueso (thick-client) el cliente ejecuta el software y almacena archivos él mismo, por lo que puede funcionar sin conexión a la red y pone menos carga en el servidor, a costa de clientes más potentes (y más caros) que deben actualizarse y protegerse individualmente. Una sala de ordenadores escolar puede usar clientes ligeros (baratos, gestionados centralmente); un editor de vídeo necesita un cliente grueso.

La topología 拓扑 es la disposición de los nodos y enlaces.

• bus — todos los dispositivos conectados a un cable compartido. Es económico; si falla el bus, falla toda la LAN; el rendimiento disminuye a medida que más dispositivos comparten el ancho de banda.
• estrella 星形 — cada dispositivo se conecta a un switch central. El fallo de un dispositivo no afecta a los demás; el fallo del switch detiene todo. Es la más común hoy en día.
• malla 网状 — cada dispositivo se enlaza directamente con los demás, con múltiples caminos. Muy tolerante a fallos 容错 (el tráfico se reenvía) pero requiere mucho cableado.
• híbrida — una mezcla (una estrella en cada oficina, enlaces de malla entre oficinas).

How packets travel in each topology

Bus: el dispositivo emisor coloca el paquete en el cable compartido; todos los dispositivos lo ven, y solo aquel cuya dirección coincide lo acepta. Solo un dispositivo puede transmitir a la vez, por lo que ocurren colisiones (CSMA/CD, abajo). Estrella: el remitente pasa el paquete al switch central, que lee la dirección de destino y lo reenvía únicamente por el cable hacia ese dispositivo; otros dos dispositivos pueden hablar al mismo tiempo. Malla: el paquete se pasa de nodo en nodo a lo largo de una de varias rutas posibles hasta llegar al destino; si falla un enlace, se utiliza otra ruta.

Para justificar una topología: una estrella para un aula u oficina (un cable fallido afecta a un dispositivo; es fácil añadir un dispositivo; con un switch no hay colisiones); una malla donde la fiabilidad sea lo más importante (un hospital, la columna vertebral de internet); un bus solo donde importe el coste y pocos dispositivos lo compartan. "Dibujar la topología en estrella" significa: el switch en el centro, una línea desde el switch a cada ordenador, y el servidor (y el router, si lo hay) en sus propias líneas hacia el switch.

Computación en la nube 云计算 proporciona servicios informáticos (servidores, almacenamiento, software) a través de internet, alojados por un tercero. Ventajas: escalabilidad 可扩展性 (pagar por lo necesario), menor coste, acceso desde cualquier lugar y centros de datos redundantes fiables. Inconvenientes: requiere internet, tus datos son custodiados por un tercero y posible bloqueo del proveedor.

Para la definición de un punto: la computación en la nube es servicios informáticos bajo demanda (almacenamiento, procesamiento, software) proporcionados a través de internet por un tercero. Una cloud pública 公有云 es propiedad de un proveedor y compartida por muchos clientes a través de internet; una cloud privada 私有云 está dedicada a una organización, en su propio hardware o alojada exclusivamente para ella. Beneficios que acepta el esquema: los archivos son accesibles desde cualquier dispositivo con conexión a internet; el almacenamiento escala según sea necesario; el proveedor gestiona el hardware, los respaldos y las actualizaciones de seguridad; no hay servidor local que comprar o mantener. Inconvenientes: sin conexión a internet no hay acceso; los datos están en el hardware de un tercero, por lo que la seguridad y la privacidad dependen del proveedor; un coste de suscripción continuo; el proveedor podría fallar o ser atacado; los archivos grandes pueden transferirse lentamente. Una respuesta a "por qué la empresa usa una cloud pública" dice que no necesitan hardware propio, pagan solo por lo que usan, y sus usuarios pueden acceder desde cualquier lugar.

• cableado (Ethernet 以太网 sobre par trenzado 双绞线 o fibra óptica 光纤): mayor velocidad, menor latencia, menos errores, más seguro.
• inalámbrico (Wi-Fi, Bluetooth, celular): sin cables, los dispositivos pueden moverse, pero más lento, propenso a interferencias y espionaje.

Para la misma generación, lo cableado gana en velocidad y fiabilidad; lo inalámbrico gana en comodidad.

Transmission media

El examen pide la comparación en ambas direcciones. Los cables superan a la inalámbrica en velocidad, fiabilidad (sin interferencias), seguridad (un cable debe ser manipulado físicamente) y consistencia; la inalámbrica supera a los cables en movilidad, el coste de instalación y añadir un dispositivo sin cableado. Permitir ambos permite a los estudiantes moverse con portátiles y teléfonos mientras los escritorios fijos mantienen la conexión más rápida y segura, y un dispositivo sin puerto de red aún puede conectarse. La satélite frente al cobre alcanza lugares a los que no llega ningún cable, pero con más demora, interferencias climáticas y mayor coste.

• tarjeta de interfaz de red 网络接口卡 (NIC) — permite a un dispositivo enviar y recibir en la red; tiene una dirección MAC MAC地址 única (una dirección de hardware de 48 bits). Un dispositivo inalámbrico utiliza una tarjeta de interfaz de red inalámbrica 无线网络接口卡 (WNIC).
• switch 交换机 — reenvía tramas Ethernet solo al puerto correspondiente a la dirección MAC de destino.
• hub 集线器 — un dispositivo más simple que copia el tráfico a todos los puertos (ahora obsoleto).
• punto de acceso inalámbrico 无线接入点 (WAP) — permite a los clientes inalámbricos unirse a una LAN cableada.
• cableado — par trenzado para cortas distancias; fibra óptica para distancias más largas y rápidas.
• servidor — un ordenador que proporciona un servicio a los otros dispositivos: archivos, impresión, páginas web, almacenamiento de correo electrónico.
• puente 网桥 — une dos segmentos de LAN en una sola red, pasando el tráfico entre ellos.
• repetidor 中继器 — recibe una señal debilitada y la retransmite a plena fuerza, para extender el alcance de un cable.

Las funciones de una WNIC, para una descripción de cuatro puntos: convierte los datos en señales de radio y viceversa; lleva la dirección MAC única del dispositivo; conecta el dispositivo a un punto de acceso inalámbrico y sigue el protocolo inalámbrico (qué canal y frecuencia usar); y decodifica las señales entrantes para el dispositivo. Dos dispositivos que pueden conectar físicamente treinta ordenadores con NICs: un switch, o un hub.

Un router 路由器 conecta diferentes redes y reenvía datos entre ellas — usualmente en el límite de una LAN e internet. Hace:

• reenvío — lee la dirección IP IP地址 de destino de cada paquete 数据包 y lo envía por el puerto correcto, utilizando una tabla de enrutamiento 路由表.
• traducción de direcciones de red 网络地址转换 (NAT) — permite que muchas direcciones LAN privadas compartan una única IP pública.
• DHCP 动态主机配置协议 — hands out private IP addresses to LAN devices.
• firewall 防火墙 — blocks unwanted incoming traffic.

En el packet switching 分组交换 un mensaje se divide en paquetes que se envían independientemente. Cada router lee la dirección IP de destino de un paquete, busca el siguiente salto en su tabla de enrutamiento y lo reenvía, por lo que los paquetes de un mensaje pueden tomar diferentes rutas y se reensamblan en orden en el destino. Un router recibe paquetes, los reenvía entre redes y asigna direcciones IP; no encuentra la dirección IP para una URL (DNS hace eso) y no almacena páginas web. Un router doméstico también contiene el módem y el punto de acceso inalámbrico, por lo que una sola caja conecta la LAN a internet.

Ethernet es el estándar (protocolo) para LANs cableadas: los dispositivos se unen por cable de par trenzado o fibra, los datos se envían en frames que llevan las direcciones MAC de origen y destino, y un medio compartido utiliza CSMA/CD para gestionar las colisiones. En medios compartidos puede ocurrir una colisión 冲突 cuando dos dispositivos envían a la vez. El protocolo es CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 (Acceso Múltiple con Sondeo de Portadora y Detección de Colisiones):

1. detección de portadora — escuchar antes de enviar; esperar si el cable está ocupado.
2. multiple access — many devices share the medium.
3. detección de colisiones — seguir escuchando mientras se envía; una colisión es una colisión.
4. en caso de colisión, ambos dejan de transmitir, envían una breve señal de "jam" y luego esperan un tiempo de backoff aleatorio antes de reintentar.

Las tres tareas, en las palabras del esquema: el dispositivo escucha (sondea la portadora) antes de transmitir; sigue verificando la presencia de una colisión mientras transmite; ante una colisión detiene, envía una señal de jam, espera un tiempo aleatorio y retransmite.

El Ethernet conmutado moderno utiliza enlaces punto a punto full-duplex 全双plo, por lo que ya no ocurren colisiones.

Streaming de bits 流式传输 envía contenido multimedia como un flujo continuo que el receptor reproduce a medida que llega, en lugar de descargar primero todo el archivo.

• en tiempo real (en vivo): capturado y transmitido tal como sucede (deportes en vivo, videollamadas). No se puede rebobinar; la baja latencia es vital.
• bajo demanda: previamente grabado en un servidor (YouTube, Netflix). Se puede pausar y rebobinar; el servidor puede bufferizar 缓冲 por adelantado.

Real-time streaming works as a short pipeline:

1. capturar y muestrear la fuente (una cámara o micrófono).
2. codificarla, utilizando compresión 压缩 para reducir los datos.
3. send it across the network as packets.
4. el receptor bufferiza un poco y luego lo reproduce en vivo — descartando cualquier paquete que llegue tarde, porque un flujo en vivo no puede esperar a él.

Compresión con pérdida 有损 se utiliza aquí: las imágenes en movimiento ocultan pequeñas pérdidas, y el flujo debe ser lo suficientemente pequeño para caber en el ancho de banda.

Por qué un vídeo se comprime antes del streaming en tiempo real: el flujo sin comprimir necesitaría más ancho de banda del que tiene la conexión, por lo que los fotogramas llegarían tarde y la reproducción se congelaría. La compresión reduce el número de bits, por lo que la tasa de bits 比特率 se mantiene por debajo de la velocidad de banda ancha, la demora permanece pequeña y se necesita menos almacenamiento y coste en ambos extremos. La tasa de bits debe ser inferior a la velocidad de la conexión: una tasa de bits más alta ofrece mejor calidad pero requiere una conexión más rápida, y si los datos llegan más lentamente de lo que se reproducen, el búfer se vacía y el vídeo se congela. El streaming bajo demanda puede almacenar más del archivo por adelantado, por lo que tolera una conexión más lenta; el streaming en tiempo real no puede.

La internet 互联网 es una red de redes global que utiliza un conjunto de protocolos 协议 común (TCP/IP). La World Wide Web 万维网 (WWW) es un servicio que se ejecuta sobre ella: documentos hipervinculados identificados por URLs, visualizados en navegadores vía HTTP/HTTPS. El correo electrónico y la transferencia de archivos son otros servicios de internet que no forman parte de la WWW.

El correo web utiliza ambos: la WWW, porque la bandeja de entrada es una página web alcanzable a través de una URL en un navegador sobre HTTP; y la internet, porque el correo electrónico en sí viaja a través de la red de redes (el correo electrónico es un servicio de internet separado de la web).

Hardware that supports the internet

• módem 调制解调or — convierte la señal digital del ordenador en una señal analógica para una línea telefónica, y viceversa al otro extremo (modulación y demodulación).
• PSTN — la red telefónica pública de centrales y líneas; una conexión dial-up o DSL transporta datos de internet a través de ella.
• línea dedicada 专线 — una línea arrendada entre una organización y su ISP: siempre activa, con un ancho de banda fijo que no se comparte, por lo que es más rápida y fiable, pero cara.
• red de telefonía celular — el teléfono envía datos por radio a la torre de celda más cercana (estación base); las torres están vinculadas a la red de la compañía telefónica, que enruta los datos hacia internet; a medida que el teléfono se mueve, se transfiere de una celda a otra.

An IP address uniquely identifies a device.

• IPv4 — 32 bits, cuatro números decimales 0–255 (192.168.1.10); aproximadamente $4.3 \times 10^{9}$ direcciones (agotadas ahora).
• IPv6 — 128 bits, ocho grupos de cuatro dígitos hexadecimales; aproximadamente $3.4 \times 10^{38}$ direcciones.

IPv4 se escribe como cuatro grupos de números decimales separados por puntos; cada grupo es un número de 8 bits, por lo que va de 0 a 255. IPv6 se escribe como ocho grupos de cuatro dígitos hexadecimales separados por dos puntos, 2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329, y una serie de grupos cero puede acortarse a ::. Por tanto, 192.168.3.2 no es IPv6: tiene cuatro grupos, no ocho, separados por puntos en lugar de dos puntos, y sus grupos son decimales, no hexadecimales. 256.0.0.A no es una dirección válida de ningún tipo: un grupo IPv4 no puede superar 255 ni contener letras, y IPv6 necesitaría dos puntos y ocho grupos.

Subnetting

Una red puede dividirse en subredes. La dirección IP se divide en una parte de red y una parte de host, determinada por una máscara de subred (por ejemplo, 255.255.255.0 = los primeros 24 bits son de red). La subnetting mejora la gestión, reduce el tráfico de difusión y mejora la seguridad.

Las dos partes de una dirección en una subred: la network ID (los primeros bits, iguales para cada dispositivo en esa subred, dados por los unos en la máscara) y la host ID (los bits restantes, únicos para cada dispositivo). Beneficios de la subnetting, para "describe dos beneficios": menos tráfico en cada parte, porque las transmisiones difusas permanecen dentro de su subred; mejor seguridad, porque el tráfico de un departamento se mantiene alejado de los demás; gestión más fácil y detección de fallos; uso más eficiente de las direcciones. Dos dispositivos con la máscara 255.255.255.0 están en subredes diferentes cuando sus primeros tres grupos difieren.

Public vs private addresses

• las direcciones privadas se utilizan dentro de una LAN y no son enruteables en internet (por ejemplo, 192.168.0.0/16).
• una dirección IP pública es única globalmente y enruteable, asignada por un ISP.

Los dispositivos detrás de NAT con direcciones privadas no son directamente accesibles desde internet, lo que proporciona cierta protección.

Las descripciones que quieren las tablas: una dirección public es visible en internet y única en toda ella, asignada por el ISP; una dirección private es visible solo dentro de la LAN, es reutilizada por muchas LANs y necesita NAT para alcanzar internet. Una dirección static nunca cambia (establecida manualmente o reservada, como necesita un servidor); una dirección dynamic es asignada por DHCP cada vez que el dispositivo se conecta y puede cambiar.

Static vs dynamic

• una dirección IP estática es fija; se utiliza para servidores que deben encontrarse en una dirección conocida.
• una dirección IP dinámica se asigna mediante DHCP y puede cambiar; es más fácil para los dispositivos cliente y utiliza eficientemente un conjunto limitado de direcciones.

Ejemplo resuelto. Un anfitrión tiene la dirección IP 192.168.10.130 con máscara de subred 255.255.255.192. ¿A qué red pertenece y está 192.168.10.200 en la misma? El último octeto de la máscara, 192, es 11000000 en binario, por lo que los primeros 26 bits corresponden a la parte de red y los últimos 6 bits dirigen al anfitrión. Esto hace que las subredes avancen en bloques de $256 - 192 = 64$: .0, .64, .128, .192. La dirección 130 cae en el bloque que comienza en .128, por lo que el anfitrión se encuentra en la red 192.168.10.128/26, cuyos hosts utilizables van desde .129 hasta .190 (.191 es la dirección de broadcast). El número 200 cae en el siguiente bloque (.192), por lo que se encuentra en una subred diferente y el tráfico entre ambas debe pasar por un router. Obtenga primero el tamaño del bloque a partir de la máscara ($256$ menos el octeto de la máscara) —adivinar basándose en los tres primeros octetos es lo que provoca errores en estos ejercicios.

Un URL (Uniform Resource Locator, Localizador de Recursos Uniforme) localiza un recurso en la WWW:

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• protocolo: http, https, etc.
• nombre de dominio: una dirección de servidor legible.
• ruta: el recurso en ese servidor.

El Sistema de Nombres de Dominio (DNS, también llamado Servicio de Nombres de Dominio) es un conjunto distribuido de servidores que convierte nombres de dominio en direcciones IP. Cuando escribe una URL, el navegador solicita a un resolutor DNS la IP, la cual consulta servidores DNS (raíz → nivel superior → autoritativo) hasta encontrarla; luego, el navegador se conecta a esa IP y solicita la ruta. El DNS evita que los humanos deban memorizar direcciones IP y permite que un sitio cambie de servidor sin cambiar su nombre.

Para "explicar cómo usa el navegador la URL": el navegador divide la URL en el protocolo, el nombre de dominio y la ruta; envía el nombre de dominio a un servidor DNS, que devuelve la dirección IP coincidente (una caché en la computadora o en el ISP puede responder primero); establece una conexión a esa dirección IP usando el protocolo (HTTPS en el puerto 443); envía una solicitud para la ruta; y el servidor web devuelve la página, que el navegador renderiza. Si la búsqueda DNS falla, el navegador informa que no se puede encontrar el servidor.

Una pregunta de definición se califica según palabras fijas. Aprenda estas exactamente.

• Distinga LAN vs WAN y cliente-servidor vs par-a-par según quién almacena y controla los recursos.
• Asocie cada topología (tira, estrella, malla) con sus ventajas y desventajas (costo, fiabilidad, colisiones).
• Conozca la función de cada dispositivo: un switch dirige dentro de una LAN mediante la dirección MAC, un router encamina entre redes mediante la dirección IP.
• Explique el bit streaming y por qué se necesita el buffering (los datos llegan a una tasa diferente a la de reproducción).
• Distinga IPv4 vs IPv6 y direcciones públicas vs privadas; DNS convierte una URL en una dirección IP.

Errores comunes

• Decir que un switch funciona mediante direcciones IP. Un switch reenvía mediante direcciones MAC dentro de la LAN; el router reenvía mediante direcciones IP entre redes.
• Tratar el internet y la World Wide Web como lo mismo. La web es un servicio que corre sobre el internet; el correo electrónico y la transferencia de archivos son otros.
• Dar "más rápido" como la única comparación entre cableado e inalámbrico. Diga más rápido y más fiable y más seguro, y mencione el lado inalámbrico (movilidad, sin cableado) cuando la pregunta pida una comparación.
• Escribir que un router busca la dirección IP para una URL. Eso lo hace DNS; el router reenvía paquetes hacia él.
• Describir IPv6 con puntos y grupos decimales. Ocho grupos de cuatro dígitos hexadecimales, separados por dos puntos.
• Dibujar una topología estrella como un anillo o una cadena. Cada dispositivo tiene su propia línea hacia el switch en el centro.

Un ordenador de propósito general tiene cuatro bloques constructivos:

• dispositivos de entrada 输入设备 — obtienen datos (teclado, ratón, micrófono, escáner, sensores).
• dispositivos de salida 输出设备 — entregan resultados (monitor, altavoces, impresora, actuadores).
• memoria principal 主存储器 — memoria rápida a la que el procesador 处理器 (CPU) accede directamente (RAM y ROM). Almacena el programa en ejecución y sus datos.
• almacenamiento secundario 辅助存储器 — más lento, mayor capacidad, mantiene programas y datos cuando no están en uso (disco duro, SSD, disco óptico, memoria USB).

El temario pide explicar por qué cada uno es necesario. Los dispositivos de entrada son necesarios porque el ordenador solo puede trabajar con los datos e instrucciones que han sido introducidos. Los dispositivos de salida son necesarios para presentar los resultados en un formato que las personas puedan utilizar. La memoria principal es necesaria porque el procesador solo puede ejecutar instrucciones y utilizar datos que se almacenan en una memoria a la que puede acceder directamente, y debe llegar a ellos rápidamente. El almacenamiento secundario es necesario porque la memoria principal es volátil y de pequeña capacidad: los programas y datos deben sobrevivir al apagado del equipo, en un almacenamiento más grande y económico, y el almacenamiento amovible permite mover datos entre ordenadores o mantenerlos como copia de seguridad.

Un sistema embebido 嵌入式系统 es un ordenador construido dentro de otro dispositivo para realizar una tarea fija (lavadora, microondas, unidad de motor de automóvil, termostato).

• ventajas: optimizado para una única tarea, por lo que es pequeño, consume poca energía y es barato de fabricar en volumen; fiable, porque ejecuta un programa fijo con pocas posibilidades de fallo; arranca rápidamente y no requiere configuración por parte del usuario; fácil de usar gracias a una interfaz simple.
• inconvenientes: limitado a su única tarea, por lo que no puede actualizarse para hacer más cosas; difícil de actualizar (su firmware 固件 puede necesitar herramientas especiales o no poder modificarse en absoluto); difícil de diagnosticar averías, y generalmente todo el dispositivo debe reemplazarse si falla; si está conectado a una red, puede ser una vulnerabilidad de seguridad, ya que su software rara vez recibe parches.

Una pregunta de "describir los inconvenientes" exige que cada inconveniente sea un punto completo: cuál es la limitación y qué significa para el usuario, por ejemplo "el firmware no se puede actualizar, por lo que un fallo de seguridad detectado después no puede solucionarse".

Impresora láser

Una impresora láser 激光打印机 escanea la imagen de la página sobre un tambor 感光鼓 fotosensible cargado. El toner 墨粉 se adhiere a las áreas cargadas, se transfiere al papel y se funde mediante un fijador. Rápida, nítida, alta producción.

Cómo funciona, según los pasos que enumera la guía de calificación:

1. Los datos de la página se envían al búfer de la impresora.
2. Se aplica una carga electrostática uniforme al tambor.
3. Un láser, reflejado por un espejo giratorio, escanea la imagen de la página sobre el tambor, eliminando la carga donde incide, de modo que la carga restante en el tambor coincide con la imagen.
4. El toner, un polvo cargado, es atraído únicamente a las partes cargadas del tambor.
5. El papel recibe la carga opuesta y pasa rodando contra el tambor, transfiriendo así el toner sobre él.
6. El fijador 定影器, un par de rodillos calentados, funde el toner dentro del papel. A continuación, el tambor se descarga y limpia para la siguiente página.

Impresora 3D

Una impresora 3D 3D打印机 construye un objeto capa por capa: FDM funde filamento de plástico a través de una boquilla; litografía estereoscópica cura resina líquida con un láser UV. Utilizada para prototipos y piezas médicas personalizadas.

Cómo funciona:

1. Se diseña un modelo del objeto en software CAD (o se escanea).
2. El software de segmentación divide el modelo en finas capas horizontales y genera las instrucciones para cada una.
3. La impresora construye el objeto capa por capa: una impresora FDM funde filamento 塑料丝 de plástico y lo deposita a través de una boquilla móvil; una impresora de resina cura resina líquida con un láser o luz UV; una impresora de polvo fusiona polvo con un láser.
4. Cada capa se une a la capa inferior, y la plataforma (o la boquilla) se mueve un grosor de capa.
5. Cuando se completa la última capa, se elimina cualquier material de soporte. Sus usos incluyen prototipos, piezas médicas personalizadas como prótesis, y repuestos impresos bajo demanda.

Micrófono y altavoces

Un micrófono 麦克风 convierte sonido en señal eléctrica (un diafragma vibra, cambiando la carga del condensador 电容器 o la posición de una bobina); la señal se digitaliza mediante un conversor analógico-digital 模数转换器 (ADC). Un altavoz hace lo contrario: una señal variable impulsa una bobina en un campo magnético, moviendo un cono para producir sonido.

Cómo funciona un micrófono: las ondas sonoras hacen vibrar un diafragma 膜片; en un micrófono dinámico, una bobina unida al diafragma se mueve en un campo magnético, induciendo una corriente variable en ella, y en un micrófono condensador, el diafragma es una placa de un condensador cuya capacitancia cambia a medida que se mueve; la señal analógica variable luego es muestreada por un ADC y almacenada como datos digitales. Un altavoz invierte esta cadena: un conversor digital-analógico 数模转换器 (DAC) produce una corriente variable, la corriente en la bobina crea un campo magnético cambiante que empuja contra el imán permanente, la bobina y el cono se mueven hacia adentro y afuera, y el movimiento del cono genera ondas de presión en el aire.

Disco duro magnético (HDD)

Un disco duro 硬盘 almacena datos en platos giratorios recubiertos de material magnético. Cada plato tiene pistas 磁道 divididas en sectores 扇区. Una cabeza de lectura/escritura 读写头 flota justo encima y magnetiza regiones minúsculas (escritura) o las detecta (lectura). Bajo costo por gigabyte, pero más lento que los SSD y tiene partes móviles.

Cómo funciona: los platos giran a alta velocidad (miles de revoluciones por minuto); cada superficie está dividida en pistas concéntricas y cada pista en sectores; las cabezas de lectura/escritura en brazos actuadores 磁头臂 se mueven sobre los platos hacia la pista correcta; para escribir, la cabeza magnetiza una pequeña región con una de dos polaridades, representando 0 o 1; para leer, detecta la polaridad mientras la región pasa debajo de ella. Los retrasos, esperando a que el brazo llegue a la pista y a que el sector gire, son la razón por la que un disco duro es más lento que un SSD.

Memoria de estado sólido (flash)

Un disco de estado sólido 固态硬盘 almacena datos como carga en transistores 晶体管, sin partes móviles. Acceso aleatorio más rápido que los HDD, más resistente, menor consumo de energía, pero más caro por gigabyte; cada celda se desgasta tras muchas escrituras.

Cómo funciona: cada celda es un transistor de puerta flotante 浮栅晶体管; una carga atrapada en la puerta flotante representa un bit y permanece allí cuando se apaga la alimentación; un chip controlador mapea cada dirección a una celda y distribuye las escrituras entre las celdas, porque una celda solo soporta un número limitado de escrituras.

Una pregunta "por qué un servidor usa discos duros en lugar de SSDs" busca la columna izquierda: más barato por gigabyte para grandes capacidades, larga vida bajo reescritura constante y recuperación de datos más fácil.

Disco óptico

Un láser detecta reflexiones desde pequeños surcos en un disco óptico 光盘 (CD, DVD, Blu-ray). La unidad es un lector/grabador de discos ópticos: la grabación usa un láser más fuerte para cambiar la reflectividad de la superficie.

Cómo funciona: el disco lleva una larga pista espiral de surcos 凹坑 y terrenos 平台 (las áreas planas entre ellos); el disco gira y un láser se enfoca en la pista; la luz reflejada de un terreno difiere de la luz reflejada en el borde de un surco, y un sensor de luz lee cada cambio como un 1 y la ausencia de cambio como un 0. La grabación usa un láser más fuerte para cambiar la reflectividad de una capa de tinte o aleación. Un Blu-ray usa un láser azul con longitud de onda más corta, por lo que sus surcos son más pequeños y están más juntos, lo cual es la razón por la que almacena más datos que un DVD.

Pantalla táctil

Una pantalla táctil 触摸屏 detecta contacto. Resistiva 电阻式: dos capas conductoras presionadas juntas; funciona con cualquier objeto pero es menos precisa. Capacitiva 电容式: un dedo perturba un campo de carga; precisa, multitoque, usada en teléfonos.

Cómo funciona: una pantalla resistiva tiene dos finas capas conductoras separadas por espaciadores; al presionar, la capa superior empuja contra la inferior, cerrando un circuito en ese punto, y el controlador lee el voltaje para encontrar las coordenadas. Una pantalla capacitiva tiene una capa de vidrio recubierta con un conductor transparente que mantiene una carga; un dedo que la toca extrae una pequeña corriente, la corriente se mide en cada esquina, y el controlador calcula la posición del toque a partir de las diferencias. Las pantallas capacitivas responden a toques ligeros y varios dedos a la vez, pero no a un dedo con guante ni a un lápiz óptico común.

Auricular de realidad virtual

Un auricular de realidad virtual 虚拟现实 (VR) tiene dos pantallas pequeñas (una por ojo) y sensores de movimiento (acelerómetro 加速度计, giroscopio 陀螺仪) que rastrean el movimiento de la cabeza para que la escena cambie según mira alrededor.

Cómo funciona: cada ojo ve su propia pantalla a través de una lente, y las dos imágenes difieren ligeramente, por lo que el cerebro percibe profundidad; los sensores (acelerómetro, giroscopio, a veces cámaras) informan dónde está la cabeza y hacia dónde apunta; la computadora vuelve a renderizar la escena desde ese punto de vista varias veces por segundo, por lo que girar la cabeza gira la vista; los auriculares proporcionan sonido que coincide con la dirección. Usado para juegos, para entrenamiento como simuladores de vuelo o cirugía, y para ver diseños antes de ser construidos.

Un buffer 缓冲 es memoria que almacena datos temporalmente mientras se mueven entre dispositivos de diferentes velocidades. Ejemplo: la CPU escribe un documento en un buffer de impresora rápidamente, luego queda libre para hacer otro trabajo mientras la impresora imprime desde el buffer a su propio ritmo. Los buffers evitan que el dispositivo rápido espere al lento (también usados en streaming, el teclado y el acceso a disco).

"Explique por qué una impresora 3D necesita un buffer": la computadora envía los datos de impresión mucho más rápido de lo que la impresora puede construir las capas, por lo que los datos se mantienen en el buffer hasta que la impresora está lista para recibirlos, y el procesador queda liberado para hacer otro trabajo. Cuando el buffer se agota, la impresora envía una interrupción 中断 para pedir más (tema 4). Un flujo de video funciona de manera similar: el buffer se llena por adelantado para que una breve caída en la velocidad de la red no detenga la imagen.

• RAM 随机存取存储器 (Random Access Memory) — volátil 易失性 (pierde datos sin energía). Almacena el SO, programas en ejecución y sus datos; se lee y escribe constantemente.
• ROM 只读存储器 (Read-Only Memory) — no volátil 非易失性 (mantiene datos sin energía). Generalmente escrita una sola vez; almacena firmware necesario en el arranque (BIOS / boot loader).

La ROM inicia el sistema; la RAM luego mantiene el trabajo activo.

Más RAM permite a una computadora mantener más programas y datos a la vez, por lo que intercambia menos entre memoria y disco y corre más rápido; esa es la respuesta a "explique por qué la computadora con más RAM tiene mejor rendimiento".

La misma división de memoria es importante en un dispositivo portátil: su programa fijo debe permanecer disponible tras apagarlo, mientras que sus lecturas en vivo cambian durante el uso.

• SRAM Static RAM (Memoria RAM Estática) almacena cada bit en un flip-flop flip-flop de varios transistores. Rápida, pero costosa y no densa. Se usa para cache cache de CPU.
• DRAM Dynamic RAM (Memoria RAM Dinámica) almacena cada bit como carga en un condensador pequeño. Más barata y densa, pero más lenta, y debe ser refreshed refresh (reescrita) miles de veces por segundo. Se usa para memoria principal.

Use SRAM para memoria pequeña y rápida (cache); DRAM para memoria principal grande.

"Explique por qué el sistema embebido usa DRAM": necesita una gran cantidad de memoria a bajo costo en un espacio pequeño, y su requisito de velocidad es modesto, por lo que la DRAM más barata y densa es la opción correcta; la SRAM se mantiene para la caché pequeña donde la velocidad es más importante.

Variantes de ROM que puede programar después de la fabricación:

• PROM (Programmable ROM — ROM Programable) — escrita una sola vez (fusibles quemados por un programador); no se puede cambiar.
• EPROM (Erasable Programmable ROM — ROM Programable Borrable) — borrada con luz UV intensa a través de una ventana, luego reescrita (todo el chip a la vez).
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM — ROM Programable Borrable Eléctricamente) — borrada y reescrita eléctricamente, byte por byte, en circuito. La memoria Flash es una derivación optimizada para borrado por bloques.

"Da dos diferencias entre EPROM y EEPROM" pide dos filas de esta tabla, cada una expresada para ambos tipos.

Ambos leen sensores; la diferencia es lo que hacen después.

• monitoring monitoring — recopila e informa datos pero no toma acciones (una estación meteorológica registrando lecturas).
• control system control system — usa los datos del sensor para decidir y actuar a través de actuadores, generalmente en un bucle de retroalimentación (un termostato encendiendo/apagando una caldera).

La respuesta de tres puntos "describe las diferencias": un sistema de monitoreo solo mide, registra o muestra las lecturas, y a lo sumo activa una advertencia; un sistema de control compara cada lectura con un preset value preset value y, si está fuera del rango, envía señales a los actuadores que cambian el proceso físico; el cambio se vuelve a medir, por lo que un sistema de control contiene retroalimentación y un sistema de monitoreo no. Si un sistema dado es uno u otro se decide mediante esa prueba: un sistema de puente que mide la altura de un vehículo y enciende un letrero de advertencia es monitoreo, porque nada de lo que hace cambia al vehículo; un sistema que baja una barrera es control.

Ejemplo resuelto. Describe cómo un sistema automatizado abre una puerta cuando una persona está a menos de 2 metros y la cierra cuando no hay nadie.

Un sensor infrarrojo o ultrasónico mide la distancia a cualquier objeto frente a la puerta; la lectura analógica se convierte a digital mediante un ADC y se envía al procesador; el procesador compara la distancia con los 2 metros preestablecidos; si es menor, el procesador envía una señal al actuador (un motor) para abrir la puerta; el sensor sigue midiendo, y cuando no se recibe ninguna lectura inferior a 2 metros, el procesador indica al motor que cierre la puerta. La medición repetida después de cada acción es la retroalimentación que evita que la puerta se abra y cierre en momentos incorrectos.

Sensores y actuadores

Un sensor sensor convierte una magnitud física en una señal: temperatura (un thermistor termistor o termopar), presión (galga extensiométrica), infrarrojo, sonido. Las señales analógicas necesitan primero un ADC. Un actuator actuador hace lo contrario: convierte una señal en una acción (un motor, válvula, calefactor, zumbador).

Retroalimentación

En un sistema de control, el actuador cambia el entorno, que los sensores vuelven a medir: un bucle de feedback feedback. Sin retroalimentación, el sistema no puede corregirse ni saber cuándo detenerse (un termostato sin retroalimentación de temperatura calentaría indefinidamente).

Una logic gate compuerta lógica es un pequeño circuito que realiza una operación Boolean booleana. Las entradas y salidas son 0 (falso, bajo) o 1 (verdadero, alto). Conozca el símbolo, la función y la truth table tabla de verdad para cada compuerta.

NOT (invertidor)

AND — salida 1 solo si todos los inputs son 1

OR — salida 1 si al menos un input es 1

NAND (NOT AND) — salida 0 solo cuando todos los inputs son 1

NOR (NOT OR) — salida 1 solo cuando todos los inputs son 0

XOR (Exclusive OR, también llamado EOR) — salida 1 si los inputs son diferentes

Un logic circuit circuito lógico es una red de compuertas que ejecuta una expresión booleana. Deberías poder pasar de un enunciado de problema, a una expresión lógica, a una tabla de verdad y a un diagrama de circuito.

El examen escribe expresiones en palabras, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), y acepta la forma algebraica $X = A\overline{B} + BC$ donde un punto (o nada) es AND, un signo más es OR, y una barra es NOT. Usa la que utilice la pregunta.

De expresión a circuito

Dibuja una compuerta por operador y conéctalos. Para $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$: una compuerta NOT sobre $C$, una compuerta AND sobre $A$ y $B$, luego una compuerta OR sobre los dos resultados.

De circuito a expresión

Trabaja hacia adelante desde las entradas, etiquetando la salida de cada compuerta, hasta llegar a la salida final.

Ejemplo resuelto. Escribe la expresión del circuito siguiente, luego completa su tabla de verdad.

Etiqueta las salidas de las compuertas: $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, así $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Luego dale a la tabla de verdad una columna por cada salida intermedia, para que cada fila pueda verificarse una compuerta a la vez:

Dibujar un circuito a partir de una expresión es el mismo recorrido en reversa: comienza desde los paréntesis más internos, dibuja una compuerta por operador, dibuja una compuerta NOT en el cable de cualquier entrada que aparezca con NOT, mantén las entradas a la izquierda y la única salida a la derecha, y etiqueta la salida con su letra. Cada línea debe terminar en una entrada de compuerta o en la salida; una línea que no va a ningún lado pierde puntos.

De circuito a tabla de verdad

Para $n$ entradas hay $2^{n}$ filas. Enumera cada combinación de entradas; para cada una, calcula las compuertas internas y luego la salida.

De tabla de verdad a expresión (suma de productos)

Para cada fila que tiene salida 1, escribe un AND de las entradas (con NOT en cualquier entrada que sea 0 en esa fila); OR estas juntas. Ejemplo: una tabla que es 1 solo en $(A=0,B=1)$ y $(A=1,B=0)$ da $\overline{A}B + A\overline{B}$, que es $A \text{ XOR } B$.

De un enunciado de problema

Convierte el inglés a una expresión booleana primero: "A y B" → A AND B; "A o B o ambos" → A OR B; "exactamente uno de A y B" → A XOR B; "ni A ni B" → A NOR B; "no ambos" → A NAND B.

Ejemplo resuelto. La alarma de una máquina $X$ suena cuando la puerta está abierta ($A=1$) y ya sea el motor está en marcha ($B=1$) o la temperatura es alta ($C=1$). Escribe la expresión booleana y da las filas donde $X=1$. Convierte el inglés a lógica una cláusula a la vez: "ya sea B o C" es $B + C$, y "A y eso" es $X = A\cdot(B + C)$. Para las filas, $X=1$ necesita $A=1$ y al menos uno de $B$, $C$ igual a 1 - así $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ y $(1,1,1)$, tres filas de ocho. Nota que $A=0$ nunca puede sonar la alarma, sin importar qué hagan $B$ y $C$. Encierra entre paréntesis el OR antes de hacerle AND: $X = A\cdot B + C$ es un circuito completamente diferente, uno que sonaría la alarma por alta temperatura incluso con la puerta cerrada.

Una pregunta de definición se califica según un texto fijo. Aprende estas definiciones exactamente, y da solo una respuesta.

• Distingue RAM (volátil, lectura/escritura) de ROM (no volátil, contiene el bootstrap); SRAM (caché, más rápida) de DRAM (memoria principal, necesita refresco).
• Para un circuito lógico, construye la expresión booleana compuerta por compuerta, luego una tabla de verdad que cubra todas las combinaciones de entradas.
• Aprende el símbolo, la expresión y la tabla de verdad de cada compuerta (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Explica un búfer (un almacenamiento temporal que puentea dos velocidades distintas) y el papel de una interrupción.

Errores comunes

• Nombrar el dispositivo en lugar de describir su funcionamiento. "Usa un láser" no otorga puntos; los pasos (cargar el tambor, el láser elimina la carga, el tóner es atraído, transferido, fundido) sí otorgan puntos.
• Decir que un sistema de monitoreo "controla" algo. Si nada modifica el proceso físico, es monitoreo; agrega el actuador y la retroalimentación y se convierte en control.
• Escribir que RAM "almacena archivos permanentemente" o que ROM "almacena los datos del usuario". RAM es memoria de trabajo volátil; ROM contiene las instrucciones de arranque fijas.
• Una tabla de verdad con menos de $2^{n}$ filas, o filas en orden aleatorio. Cuenta en binario de 000 a 111 para no omitir ninguna combinación.
• Dibujar dos líneas desde una salida de una compuerta por seguridad, o dejar un cable que termina en ningún lado. Dibuja exactamente las conexiones que necesita la expresión.

La arquitectura de Von Neumann 冯·诺依曼体系结构 subyace en casi todas las computadoras de propósito general:

• una memoria única — la Memoria de Acceso Inmediato 立即存取存储器 (IAS) — almacena tanto instrucciones del programa como datos (el concepto de programa almacenado 存储程序).
• un procesador 处理器 (CPU) busca instrucciones de la memoria y las ejecuta una a la vez.
• las instrucciones se ejecutan en orden a menos que una ramificación cambie el flujo.

La idea del programa almacenado es lo que hace flexible a una computadora: cambia el programa y cambias lo que hace, sin necesidad de reconfigurar cables.

Todas estas partes están dentro de un solo chip pequeño. El diagrama más adelante en esta sección muestra cómo se conectan; la foto de abajo muestra el dispositivo real.

Unidad Aritmética Lógica (ALU)

La ALU 算术逻辑单元 realiza operaciones aritméticas (suma, resta, ...) y lógicas (AND, OR, comparaciones). Toma operandos de los registros 寄存器 y coloca los resultados de vuelta en un registro.

Unidad de Control (CU)

La unidad de control 控制单元 decodifica cada instrucción y envía las señales de control para llevarla a cabo: abre rutas de datos, indica a la ALU qué hacer y controla las lecturas y escrituras de memoria.

Reloj del sistema

El reloj envía un flujo constante de pulsos que mantienen al CPU sincronizado. Cada instrucción toma un número fijo de ciclos, y la velocidad del reloj 时钟频率 (p. ej., 3.8 GHz) es un factor en el rendimiento.

"Explica cómo trabajan juntos la CU y el reloj del sistema": el reloj emite pulsos a una frecuencia fija; la unidad de control usa cada pulso para avanzar el ciclo de búsqueda-ejecución en un paso, enviando sus señales de control a tiempo con los pulsos, de modo que cada parte del procesador cambia de estado al mismo tiempo. Un reloj más rápido significa más pasos por segundo, hasta el punto en que los circuitos no pueden estabilizarse entre pulsos.

Registros

Los registros son memorias pequeñas y muy rápidas dentro del CPU. Los registros de uso especial 专用寄存器 tienen cada uno una función fija en el ciclo:

• Contador de Programa 程序计数器 (PC) — la dirección de la siguiente instrucción.
• Registro de Dirección de Memoria 内存地址寄存器 (MAR) — la dirección que se está leyendo o escribiendo.
• Registro de Datos de Memoria 内存数据寄存器 (MDR) — los datos que van hacia o vienen de la memoria.
• Registro de Instrucción Actual 当前指令寄存器 (CIR) — la instrucción que se está decodificando.
• Acumulador 累加器 (ACC) — el valor sobre el que trabaja la ALU.
• Registro de Estado 状态寄存器 — mantiene banderas 标志 (acarreo, cero, negativo, desbordamiento) usadas por las ramificaciones. Cada bandera es un bit, establecido o eliminado por la ALU después de una operación: la bandera cero tras una comparación que coincidió, la bandera de acarreo cuando una suma desbordó el registro, la bandera negativa cuando un resultado es negativo. Un salto condicional lee las banderas para decidir si debe ramificar, y una bandera de desbordamiento puede generar una interrupción.
• Registro de Índice 变址寄存器 — un desplazamiento añadido a una dirección en el direccionamiento indexado; incrementarlo permite recorrer un array un elemento a la vez.

La pregunta "completa la tabla que describe el papel de cada registro" pide una oración precisa por registro en estos términos: el PC contiene la dirección de la siguiente instrucción que será buscada; el MAR contiene la dirección de la ubicación que se está leyendo o escribiendo; el MDR contiene los datos o instrucción leídos recientemente de, o a punto de ser escritos en, esa ubicación; el CIR contiene la instrucción que se está decodificando y ejecutando actualmente; el ACC contiene el resultado de la última operación aritmética o lógica.

Los registros de uso general 通用寄存器 son usados por el programador para valores temporales durante un cálculo. Los movimientos de datos entre registros y memoria se escriben en notación de transferencia de registros 寄存器传送 — p. ej. MAR ← [PC] ("copia el contenido del PC en el MAR").

Tres buses internos 总线 (conjuntos de cables paralelos) conectan las partes:

• bus de direcciones 地址总线 — transporta la dirección de memoria. Unidireccional (CPU → memoria).
• bus de datos 数据总线 — transporta los datos. Bidireccional.
• bus de control 控制总线 — transporta señales de control (lectura, escritura, interrupción). Bidireccional.

Un bus de direcciones de $n$ bits puede alcanzar $2^{n}$ ubicaciones de memoria. El ancho del bus de datos determina cuántos bits se mueven por acceso (a menudo el tamaño de palabra).

• velocidad del reloj — más ciclos por segundo.
• número de núcleos 核心 — una CPU multi-núcleo ejecuta varios hilos a la vez.
• tamaño de palabra 字长 — una CPU de 64 bits maneja bloques de 64 bits por ciclo y puede acceder a mucha más memoria que una de 32 bits.
• cantidad de RAM 随机存取存储器 — más RAM almacena más del conjunto de trabajo; poca RAM obliga al SO a paginar 页 en disco.
• tamaño de la memoria caché 高速缓存 — más caché reduce el tiempo promedio de acceso a memoria.
• tipo de almacenamiento secundario 辅助存储器 — un SSD carga programas mucho más rápido que un HDD.
• ancho y velocidad del bus — buses más anchos/rápidos mueven datos más rápidamente.

Asigna las especificaciones a la carga de trabajo: un quad-core supera a un dual-core en tareas paralelas, pero mayor velocidad por núcleo gana en tareas de un solo hilo.

Cada factor es una respuesta de dos puntos con una razón adjunta:

• Más núcleos: cada núcleo puede buscar y ejecutar su propia instrucción al mismo tiempo, así que varios programas, o los hilos de un programa, se ejecutan en paralelo. Pero un programa debe estar escrito para usar más de un núcleo, por lo que duplicar los núcleos no duplica la velocidad.
• Mayor velocidad del reloj: más ciclos de búsqueda-ejecución por segundo, así que más instrucciones por segundo; el límite es el calor producido.
• Bus más ancho: un bus de datos más ancho mueve más bits en cada transferencia, así que se necesitan menos transferencias para los mismos datos; un bus de direcciones más ancho puede acceder a más ubicaciones de memoria.
• Memoria caché: una memoria pequeña y rápida dentro o junto al procesador que guarda las instrucciones y datos usados más recientemente o con mayor frecuencia. Leerlos desde la caché es mucho más rápido que desde la RAM, así que el procesador pasa menos tiempo esperando.

"Explica por qué la nueva computadora tiene mejor rendimiento" se responde comparando las dos especificaciones línea por línea: una mayor velocidad del reloj ejecuta más instrucciones por segundo, más núcleos ejecutan más tareas a la vez, más caché significa menos accesos lentos a RAM, y más RAM significa menos transferencias a disco.

Un puerto 端口 es un conector físico para conectar un periférico 外围设备:

• USB (Universal Serial Bus) — de propósito general (teclados, unidades de almacenamiento, teléfonos).
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) — video y audio digitales a una pantalla.
• VGA (Video Graphics Array) — salida de video analógica más antigua a un monitor.
• Ethernet (RJ-45) — red local cableada. Jacks de audio — auriculares/micrófono.

Diferentes puertos utilizan diferentes señales, por lo que un cable HDMI no encajará en un puerto USB. USB-C es inusual al transmitir video, datos y energía simultáneamente.

"Explica cómo la computadora se conecta al monitor a través de HDMI": el puerto HDMI envía el video y el audio como una sola señal digital por un solo cable, por lo que no se necesita conversión a analógico y la imagen no se degrada; el cable transporta resoluciones de alta definición y el propio puerto del monitor decodifica la señal. Un dispositivo USB es plug-and-play: cuando se conecta, la computadora lo detecta, lo identifica, carga o instala el controlador necesario y puede proporcionarle energía, todo sin necesidad de reiniciar.

La CPU repite el ciclo de búsqueda-ejecución 取指-执行周期, una ejecución por instrucción de máquina.

Búsqueda

1. la dirección del PC se copia al MAR.
2. el PC se incrementa para apuntar a la siguiente instrucción.
3. una señal de lectura viaja por el bus de control.
4. la memoria coloca la instrucción en el bus de datos.
5. se copia en el MDR, luego en el CIR.

El examen pide estos pasos en notación de transferencia de registros 寄存器传送记法, donde [X] significa el contenido del registro X y [[MAR]]significa el contenido de la ubicación de memoria cuya dirección está en el MAR:

MAR ← [PC]          the address of the next instruction goes to the MAR
PC  ← [PC] + 1      the PC now points to the following instruction
MDR ← [[MAR]]       the instruction at that address is read into the MDR
CIR ← [MDR]         the instruction is copied into the CIR for decoding

El orden importa: el PC se incrementa inmediatamente después de que su dirección se ha copiado, para que un salto ejecutado más tarde pueda sobrescribirlo. Durante la ejecución, la misma notación describe cada instrucción; por ejemplo, para LDD 200, MAR ← 200, MDR ← [[MAR]], ACC ← [MDR].

Decodificación

La UC decodifica la instrucción en el CIR: qué operación y cuáles son los operandos o direcciones.

Ejecución

La UC la lleva a cabo: las operaciones aritméticas/lógicas van a la ALU (el resultado va al AC); una carga/almacenamiento mueve datos entre la memoria y un registro; un salto cambia el PC. Luego el ciclo se repite.

Una interrupción 中断 es una señal que pausa el ciclo normal para que la CPU pueda manejar un evento urgente (un pulsador de tecla, la llegada de un paquete, un fallo de hardware, división por cero, el temporizador del SO).

Para manejar una:

1. terminar la instrucción actual.
2. guardar el estado (PC y registros).
3. cargar la dirección de la rutina de servicio de interrupción 中断服务程序 (ISR) en el PC y ejecutarla.
4. la ISR maneja el evento.
5. restaurar el estado guardado y continuar.

Las interrupciones permiten que el sistema responda rápidamente sin que la CPU revise constantemente los dispositivos, y son la forma en que el SO gestiona la multitarea.

"Explica cómo se detecta y maneja una interrupción de un dispositivo de entrada en el ciclo B-E" es una respuesta de cuatro puntos con estos elementos: el dispositivo envía una señal de interrupción que activa la bandera de interrupción en el registro de interrupciones 中断寄存器; el procesador revisa ese registro al final de cada ciclo de búsqueda-ejecución, después de que la instrucción actual haya terminado de ejecutarse; si una bandera está activada y la interrupción tiene mayor prioridad que la tarea actual, el contenido del PC y los otros registros se guardan en la pila 栈; la dirección de la rutina de servicio de interrupción se carga en el PC y la rutina se ejecuta; cuando termina, los valores guardados se restauran desde la pila y el programa interrumpido continúa desde donde se detuvo.

Causas dignas de nombrar: una interrupción de hardware de un dispositivo (una tecla presionada, un búfer de impresora vacío, la llegada de un paquete de red), una interrupción de software causada por un fallo (división por cero, una instrucción ilegal, desbordamiento aritmético), una interrupción de temporizador del sistema operativo que marca el final de un intervalo de tiempo, y una advertencia de falla de alimentación.

La CPU realmente ejecuta código máquina 机器码 — patrones de bits, específicos de una arquitectura. El lenguaje ensamblador 汇编语言 es una forma legible, con una instrucción por instrucción de máquina, escrita usando mnemotécnicos 助记符 como LDD, ADD, JMP. Un ensamblador 汇编器 lo traduce a código máquina.

Ensamblador de dos pasadas

Un ensamblador de dos pasadas lee el código fuente dos veces:

• paso 1 construye una tabla de símbolos 符号表: cada vez que aparece una etiqueta 标签 (como LOOP:), se registra su dirección; aún no hay código.
• paso 2 genera el código: traduce cada instrucción y, cuando una hace referencia a una etiqueta (como JMP LOOP), busca su dirección en la tabla de símbolos.

Dos pasadas manejan referencias hacia adelante 前向引用 (un salto a una etiqueta definida más adelante).

Ejemplo resuelto. Aplique el proceso de dos pasadas a este programa, cuya primera instrucción se almacena en la dirección 100.

        LDD  COUNT
LOOP:   DEC  ACC
        CMP  #0
        JPN  LOOP
        END
COUNT:  5

El paso 1 lee cada línea, cuenta la dirección que ocupará y registra cada etiqueta en la tabla de símbolos: LOOP = 101 (la línea DEC) y COUNT = 105 (la línea de datos). No se produce código. El paso 2 lee el programa nuevamente y traduce cada línea a código máquina, reemplazando cada mnemotécnico por su opcode 操作码 y cada dirección simbólica por el número de la tabla de símbolos: LDD COUNT se convierte en el opcode para LDD con operandos 操作数 105, y JPN LOOP se convierte en el opcode para JPN con operandos 101. El salto de regreso a LOOP podría haberse resuelto en una sola pasada, pero un salto hacia adelante a una etiqueta aún no vista no podría, por eso el ensamblador realiza dos.

Conjunto de instrucciones de ejemplo

Cambridge utiliza un conjunto genérico pequeño, impreso en la tabla de referencias del examen, con un registro de propósito general, el acumulador (AC), y un registro índice (IX). Un operandos escrito #n es un número decimal, Bn un número binario y &n un número hexadecimal; <address> es un número de ubicación o una etiqueta.

La pregunta "las instrucciones del lenguaje ensamblador están agrupadas" pide los nombres de los grupos y una instrucción de cada uno: movimiento de datos, entrada y salida, aritmética, saltos incondicionales y condicionales, comparación y manipulación de bits.

El modo de direccionamiento 寻址方式 (los modos de acceso) indica cómo encuentra el operando la CPU:

• direccionamiento inmediato 立即寻址 — el operando es el valor en la instrucción. LDM #10 carga 10.
• direccionamiento directo 直接寻址 — la instrucción contiene una dirección; el operando es el valor allí. LDD 200.
• direccionamiento indirecto 间接寻址 — la instrucción contiene una dirección que contiene otra dirección, que es el dato. LDI 200.
• direccionamiento indexado 变址寻址 — la dirección efectiva es address + index register; usado para arreglos. LDX 100 con IR = 5 lee la dirección 105.

(Direccionamiento relativo 相对寻址 da la dirección como un desplazamiento desde el PC — usado para saltos.)

Ejemplo resuelto. La memoria contiene: dirección 200 = 250, dirección 250 = 99, dirección 105 = 7. El registro índice contiene 5. ¿Qué hay en el acumulador después de cada una de⟩LDM #200, LDD 200, LDI 200 y LDX 100? Siga la distancia que debe recorrer cada modo. LDM #200 es inmediato: el operando es el número escrito en la instrucción, por lo que el acumulador contiene 200. LDD 200 es directo: vaya a la dirección 200 y tome lo que haya allí: 250. LDI 200 es indirecto: la dirección 200 contiene 250, que es otra dirección, así que continúe hasta la dirección 250: 99. LDX 100 es indexado: sume el registro índice a la dirección, $100 + 5 = 105$, y lea la dirección 105: 7. Cuente los saltos para diferenciarlos: inmediato 0, directo 1, indirecto 2, indexado 1 (una vez que se ha añadido el índice).

Para rastrearlo: haga una tabla con columnas para el PC, ACC, registro índice, cada variable y cualquier bandera. Pase por las instrucciones actualizando la tabla después de cada una; siga las ramas cuando cambien el PC; deténgase en END. Un patrón común es un bucle sobre un array utilizando direccionamiento indexado.

Ejemplo resuelto. Rastree este programa. La dirección 200 contiene 5 y la dirección 201 contiene 0.

100   LDD  200
101   CMP  #0
102   JPE  108
103   OUT
104   DEC  ACC
105   STO  200
106   LDD  201
107   JMP  100
108   END

Escriba una fila por cada instrucción ejecutada, rellenando solo las columnas que cambian:

y así sucesivamente, hasta que LDD 200 carga 0, la comparación establece la bandera de igualdad, JPE 108 es tomada y el programa termina. Tres cosas que revisa el examinador: un CMP no cambia ningún registro, solo una bandera; un salto no tomado sigue contando como ejecutado; y OUT emite un carácter, por lo que va en la columna de salida, no en la del ACC. "Indique el efecto de cambiar LDD 10 a LDM #10": el ACC contendría el número 10 en lugar del contenido de la dirección 10.

Un desplazamiento lógico 逻辑移位 mueve todos los bits a la izquierda o a la derecha por algún lugar, rellenando las nuevas posiciones con 0.

• desplazamiento a la izquierda en 1 (LSL #1) — los bits se mueven a la izquierda, entra un 0 por la derecha; para un número sin signo esto es × 2.
• desplazamiento a la derecha en 1 (LSR #1) — los bits se mueven a la derecha, entra un 0 por la izquierda; para un número sin signo esto es división entera ÷ 2.

Desplazar $n$ lugares multiplica o divide por $2^{n}$. Ejemplo: 00001011 (11) LSL #1 → 00010110 (22).

Los bits desplazados fuera del extremo se pierden, por lo que la multiplicación solo es correcta mientras esos bits fueran ceros. LSL #2 en el entero de complemento a dos 11001010 da como resultado 00101000: los dos 1s que cayeron por la izquierda han desaparecido, el bit de signo ha cambiado y el resultado ya no es cuatro veces el valor original.

Un desplazamiento aritmético a la derecha mantiene el bit de signo para que un número con signo negativo permanezca negativo. Un desplazamiento cíclico (rotar) introduce el bit que cae de un extremo de nuevo en el otro extremo, por lo que no se pierden bits.

"Muestra el resultado de un desplazamiento aritmético a la derecha de 3 posiciones sobre 10011110": copia el bit de signo en cada posición vacante, 11110011. El mismo desplazamiento aplicado a 01011100 produce 00001011. Un desplazamiento cíclico a la izquierda de 1 sobre 10000110 da como resultado 00001101: el 1 inicial reaparece a la derecha.

La diferencia entre los dos desplazamientos a la derecha es un solo bit. Toma 11110000, que vale 240 si se lee sin signo y $-16$ si se lee con signo. LSR #1 introduce un 0 y produce 01111000 $= 120$, que es la mitad correcta de 240. En cambio, ASR #1 copia el bit de signo y produce 11111000 $= -8$, que es la mitad correcta de $-16$. Ninguno es incorrecto; cada uno reduce a la mitad el valor bajo una interpretación concreta.

Manipulación de bits para monitoreo/control

Los dispositivos embebidos suelen utilizar un único bit 位 de un registro por señal (p. ej., bit $n$ = LED $n$). Mediante una máscara 掩码 — enmascaramiento de bits—, puedes:

• establecer el bit $n$: R = R OR una máscara con el bit $n$ establecido.
• borrar el bit $n$: R = R AND una máscara con el bit $n$ borrado y el resto establecido.
• invertir el bit $n$: R = R XOR una máscara con el bit $n$ establecido.
• comprobar el bit $n$: R AND la máscara, luego verificar si el resultado es distinto de cero.

La manipulación de bits es rápida, consume poca memoria y permite que un solo byte almacene hasta 8 estados encendido/apagado.

En el conjunto de instrucciones del examen, estas operaciones son AND, OR y XOR con una máscara escrita como operando decimal, binario o hexadecimal. Con el ACC conteniendo 10101100:

"Escriba la instrucción que establece el bit menos significativo en 1 y deja los demás sin cambios": OR #1, o OR B00000001. Para desactivar un bit utilice AND con una máscara que tenga un 0 en esa posición y 1s en las demás; para probar un bit, AND con una máscara que tenga un 1 solo en esa posición, luego compare el resultado con cero. En un dispositivo de monitorización, un bit de registro por sensor permite que una sola AND compruebe si un sensor particular está activo, y una OR activa el bit de control de un actuador sin perturbar los demás.

Una pregunta de definición se califica según un texto fijo. Aprende estas definiciones exactamente, y da solo una respuesta.

• Aprenda el ciclo de búsqueda-ejecución en términos de transferencia de registros (PC, MAR, MDR, CIR, ACC) y qué incrementa el PC.
• Nombre la función de cada registro; el bus de direcciones es de un solo sentido, el bus de datos es de doble sentido.
• Distinga los modos de direccionamiento (inmediato, directo, indirecto, indexado) — una pregunta frecuente.
• Explique cómo la velocidad del reloj, el número de núcleos, el tamaño de la caché y la longitud de palabra afectan el rendimiento.
• Para un desplazamiento binario, indique si es lógico o aritmético; un desplazamiento a la izquierda multiplica por 2, un desplazamiento a la derecha divide por 2.

Errores comunes

• Decir que el PC contiene la instrucción actual, o que el MDR contiene una dirección. El PC contiene la dirección de la siguiente instrucción; el MDR contiene datos o una instrucción, nunca una dirección.
• Dejar fuera el incremento del PC en la búsqueda, o ponerlo después de la ejecución. Ocurre tan pronto como la dirección ha sido copiada al MAR.
• Leer LDD 10 como "cargar 10". LDD 10 carga el contenido de la dirección 10; LDM #10 carga el número 10.
• Poner un valor en la columna ACC para CMP o OUT. Una comparación establece una bandera únicamente; una salida va a la columna de salida.
• Decir que una interrupción se maneja "inmediatamente". El procesador termina la instrucción actual y verifica las interrupciones al final del ciclo.
• Usar un desplazamiento lógico a la derecha en un número complementario a dos negativo. Solo un desplazamiento aritmético mantiene el bit de signo.

Por qué una computadora necesita un SO

El hardware por sí solo solo puede buscar y ejecutar instrucciones; no sabe nada sobre archivos, programas, redes ni usuarios. El sistema operativo (SO) es la capa de software que:

• gestiona el hardware (procesador, memoria, E/S, almacenamiento) para los programas en ejecución.
• proporciona servicios (sistema de archivos, red, cuentas de usuario) a través de una interfaz clara, para que los programas no tengan que comunicarse directamente con el hardware.
• proporciona una interfaz de usuario (línea de comandos, GUI, táctil).
• permite que varios programas compartan el hardware de forma segura — cada uno obtiene tiempo de CPU justo y se mantiene fuera de la memoria de los demás.

Sin un SO, cada programa necesitaría sus propios controladores, y solo un programa podría ejecutarse de forma segura a la vez.

"Describe el propósito de un SO" — la lista de cinco puntos. El SO (1) proporciona una interfaz entre el usuario y el hardware; (2) oculta la complejidad del hardware al usuario y a los programas de aplicación; (3) gestiona los recursos de hardware — tiempo de procesador, memoria, almacenamiento y dispositivos de entrada/salida — y los comparte entre programas; (4) carga el software de aplicación en la memoria y lo ejecuta, dando a cada programa la misma plataforma para ejecutarse; (5) permite que varios programas se ejecuten a la vez (multitarea) manteniendo seguros tanto a los programas como los datos de los usuarios. Da cinco puntos diferentes; "ejecuta la computadora" o "gestiona recursos" por separado no otorgan puntos.

Tareas de gestión clave

El programa de estudios nombra cinco. Cada punto a continuación es una cosa que el SO realmente hace, lo cual es lo que pide una pregunta de "describe".

• gestión de la memoria — asigna memoria a cada programa cuando se carga, mantiene separada la memoria de cada programa (protección de memoria) para que uno no sobrescriba a otro, libera la memoria cuando un programa termina, e intercambia páginas entre RAM y almacenamiento secundario (el disco) (memoria virtual / paginación) para que más programas puedan estar abiertos de los que permite la memoria física.
• gestión de procesos — un programa en ejecución es un proceso. El SO crea y finaliza procesos, decide qué proceso obtendrá la CPU siguiente (planificación) y por cuánto tiempo (una rebanada de tiempo), cambia entre ellos, resuelve conflictos cuando dos quieren el mismo recurso, y puede matar uno que deja de responder.
• gestión del hardware (entrada/salida y periféricos) — se comunica con cada dispositivo a través de su controlador de dispositivo, encola y amortigua datos enviados a dispositivos lentos como una impresora, responde a interrupciones de dispositivos, y comparte un dispositivo entre varios programas.
• gestión de archivos — crea, nombra, copia, mueve y elimina archivos y carpetas, mantiene la estructura de directorio y un registro de dónde se almacena cada archivo en el disco, asigna espacio en disco a los archivos, y aplica derechos de acceso (lectura / escritura / ejecución) para cada usuario.
• gestión de seguridad — cuentas de usuario y contraseñas (autenticación), derechos de acceso, cifrado de datos almacenados, un cortafuegos, actualizaciones de seguridad automáticas y un registro de quién hizo qué.

Cómo la gestión de memoria y de procesos apoya la multitarea (un favorito de cuatro puntos). La gestión de memoria carga varios programas en la memoria al mismo tiempo, cada uno en su propia área protegida, y lleva la cuenta de qué direcciones pertenecen a cuáles; la gestión de procesos comparte el procesador entre ellos — cada proceso se ejecuta durante una rebanada de tiempo, el SO guarda su estado y cambia al siguiente, y el cambio es tan rápido que todos los programas parecen ejecutarse juntos. Las interrupciones permiten que el SO recupere el procesador de un proceso siempre que un dispositivo necesite atención.

Interrupciones. Una interrupción de hardware proviene de un dispositivo: una tecla presionada, un clic del ratón, una impresora sin papel, un disco terminando una transferencia, un fallo de energía. Una interrupción de software proviene de un programa: división por cero, una instrucción inválida, un intento de usar memoria que no le pertenece, o una solicitud de servicio del SO. El manejador de interrupciones del SO guarda el estado del proceso en ejecución, maneja la interrupción y luego restaura el proceso (el tema 4 cubre el detalle de búsqueda-ejecución).

Software de utilidad

Los programas de utilidad son software del sistema que mantienen, reparan u optimizan la computadora en lugar de realizar una tarea del usuario; el examinador acepta "realiza una tarea de mantenimiento específica que mejora el rendimiento o la seguridad". La mayoría de los SO los incluyen:

• formateador de disco — prepara un disco nuevo (o borra uno viejo) para su uso: establece su sistema de archivos y particiones, eliminando cualquier dato existente.
• verificador de virus (antivirus) — escanea archivos y memoria, compara código contra una base de datos de firmas de virus conocidas y vigila comportamientos sospechosos, luego cuarentena o elimina lo que encuentra; se ejecuta según un horario y en cada descarga, y necesita actualizaciones a medida que aparecen nuevos virus.
• software de desfragmentación — un disco duro almacena un archivo en los bloques libres que encuentra, por lo que después de muchas guardas y eliminaciones, un archivo queda disperso (fragmentado) a través del plato y el cabezal de lectura/escritura debe saltar entre las piezas. El desfragmentador mueve las piezas de cada archivo una junto a la otra y agrupa el espacio libre en una sola región, para que los archivos carguen más rápido y los nuevos archivos no se fragmenten. No es necesario en una SSD, que no tiene cabezal móvil.
• análisis de contenido de disco / software de reparación de discos — muestra qué está usando el espacio en disco (archivos grandes, duplicados o temporales) para que puedan ser eliminados; encuentra y repara sectores defectuosos, clústeres perdidos y errores del sistema de archivos.
• compresión de archivos — encoge los archivos para que ocupen menos almacenamiento y se transfieran más rápido; el archivado agrupa muchos archivos en uno.
• software de respaldo — copia archivos a otro medio (disco externo, red, nube) según un horario para que los datos puedan restaurarse tras una pérdida, corrupción o ataque de ransomware; un copiado completo es seguido por respaldos incrementales de solo lo que cambió.
• un cortafuegos (filtra el tráfico de red por reglas) y herramientas de cifrado, para seguridad; un monitor del sistema y actualizaciones automáticas.

Incluirlos con el SO ahorra al usuario instalar cada uno.

Qué hace cada programa de utilidad. Rendimiento: desfragmentación (acceso a archivos más rápido), reparación de discos (un disco con errores es lento o falla), análisis de contenido de disco (espacio libre al eliminar basura), compresión (más caben en el disco). Seguridad: verificador de virus, cortafuegos, cifrado y respaldo (la única recuperación ante ransomware). Una pregunta de "dibuja una línea" empareja cada programa de utilidad con exactamente un propósito — aprende los pares anteriores y usa los nombres del programa de estudios.

Ejemplo resuelto. Explica cómo la desfragmentación puede mejorar el rendimiento de una computadora (3 puntos).

Con el tiempo, un archivo se almacena en bloques dispersos a través del disco duro, por lo que leerlo requiere muchos movimientos del cabezal de lectura/escritura. El desfragmentador reordena los bloques para que cada archivo se almacene contiguamente y el espacio libre esté junto. Los archivos se leen entonces con menos movimientos del cabezal, por lo que cargan más rápido, y los nuevos archivos pueden escribirse en un espacio continuo.

Una biblioteca de programas es código preescrito (subrutinas, clases, módulos) que los programas reutilizan en lugar de escribirlo ellos mismos — por ejemplo, una biblioteca matemática, una biblioteca de red, una biblioteca gráfica.

Beneficios: ahorra tiempo (código listo para usar), confiable (bien probado, ampliamente usado) y estandarizado (comportamiento consistente).

La lista de beneficios del examinador, para el desarrollador. Las rutinas de la biblioteca ya están escritas y probadas, por lo que el desarrollo es más rápido y barato; son confiables y, al ser usadas por muchos programas, largely error-free (con errores mínimos); el desarrollador no necesita experticia en esa área (gráficos, compresión, cifrado, búsqueda de rutas); el programa es más fácil de mantener porque el código común vive en un solo lugar; y todo un equipo puede usar las mismas rutinas, dando resultados consistentes. Inconvenientes: una rutina puede no hacer exactamente lo que necesitas y no puedes cambiarla; tu programa depende de que la biblioteca esté disponible, sea correcta y segura — un error o una brecha de seguridad en la biblioteca es un error en tu programa; y debes aprender cómo llamarla.

• una biblioteca estática se copia en el ejecutable en tiempo de compilación (funciona por sí sola, pero es más grande y necesita recompilarse para actualizarse).
• una biblioteca dinámica (DLL, Dynamic Link Library; .so) se carga en tiempo de ejecución (ejecutables más pequeños, compartida por muchos programas, se actualiza una vez para todos).

Archivos de Dynamic Link Library (DLL). Una DLL es una biblioteca que se carga en la memoria solo cuando un programa la llama, en tiempo de ejecución, y permanece como un archivo separado en lugar de copiarse en el ejecutable. Beneficios: el ejecutable es más pequeño; varios programas en ejecución comparten una copia de la DLL en la memoria; una DLL se puede actualizar (corrección de errores, nuevo dispositivo) sin recompilar los programas que la usan; y la memoria se usa solo mientras se necesita la rutina. Inconvenientes: el programa no funcionará si falta la DLL, se mueve o es la versión incorrecta; una DLL actualizada puede romper un programa que dependía del comportamiento anterior; y una DLL falsa colocada en su lugar se ejecuta con los privilegios del programa.

Ejemplo resuelto. Un equipo que escribe software para un robot de restaurante usa una biblioteca de programas que incluye una rutina para encontrar el camino más corto entre mesas. Explica dos beneficios y un inconveniente para el equipo.

Beneficios: la rutina ya está escrita y probada, así que el equipo ahorra tiempo y puede confiar en el resultado; el equipo no necesita entender algoritmos de búsqueda de rutas por sí mismo y puede dedicar el tiempo a las características propias del robot. Inconveniente: la rutina puede no manejar las necesidades exactas del restaurante (mover sillas, pasillos de un solo sentido) y el equipo no puede alterarla, por lo que podrían tener que work around (adaptarse a) sus limitaciones.

Escribes código fuente; la computadora ejecuta código máquina. Un traductor convierte entre ambos.

Ensamblador

Un ensamblador traduce lenguaje ensamblador a código máquina: cada instrucción mnemotécnica (LDD, ADD, JMP) se convierte exactamente en una instrucción de código máquina, y las direcciones simbólicas y etiquetas se reemplazan por direcciones reales. Es necesario porque el procesador solo ejecuta código máquina, y el ensamblador se usa donde el programador necesita control directo del hardware (sistemas embebidos, controladores de dispositivos).

Compilador

Un compilador traduce un programa de alto nivel a código máquina una vez, antes de ejecutarse.

• informa todos los errores en tiempo de compilación; una vez limpio, produce un ejecutable independiente que se ejecuta sin el compilador instalado y puede ejecutarse muchas veces.
• generalmente más rápido en tiempo de ejecución (sin traducción mientras se ejecuta), pero ligado a una CPU/SO específico — recompilar para cada plataforma.

La descripción de dos puntos: un compilador traduce el programa completo de alto nivel a código máquina (código objeto) antes de ejecutarse, produce un archivo ejecutable e informa todos los errores de sintaxis juntos como una lista al final de la traducción. No ejecuta el programa.

Intérprete

Un intérprete traduce y ejecuta un programa de alto nivel una línea a la vez, sin producir un ejecutable.

• informa un error cuando llega a esa línea, luego se detiene; puedes corregirlo y continuar — bueno para el desarrollo.
• el intérprete debe estar instalado para ejecutar el programa; generalmente más lento (cada ejecución vuelve a traducir), pero fácil de portar entre plataformas.

La descripción de dos puntos: un intérprete traduce una declaración del programa de alto nivel a la vez y la ejecuta inmediatamente antes de pasar a la siguiente; no se produce un archivo ejecutable; se detiene en el primer error que encuentra y lo informa. Tanto el código fuente como el intérprete deben estar presentes cada vez que se ejecuta el programa.

Elegir entre ellos

Beneficios e inconvenientes, según los criterios de calificación.

Ejemplo resuelto. Un desarrollador usa un intérprete mientras escribe un programa y un compilador cuando ha terminado. Explica cómo se usa cada uno (4 puntos).

Durante el desarrollo, el intérprete ejecuta el programa parcialmente escrito de inmediato, sin esperar una traducción completa; cuando encuentra un error informa la línea, así que el desarrollador lo corrige y ejecuta de nuevo inmediatamente — un ciclo rápido de edición-ejecución que es más fácil para depurar. Cuando el programa termina, el compilador traduce todo el programa en un ejecutable que se ejecuta más rápido, no necesita traductor en la computadora del usuario y no revela el código fuente, por lo que se puede vender al público.

Híbrido: Java

Java se compila a bytecode (una forma intermedia independiente de la plataforma), que luego interpreta una máquina virtual (la JVM) — o usa compilación just-in-time para convertir partes calientes en código nativo. Así, los errores se detectan temprano, el bytecode corre en cualquier lugar con una JVM ("escribe una vez, ejecuta en cualquier lugar"), y los programas de larga duración alcanzan velocidades cercanas al código nativo. C# y Python usan diseños similares.

La frase del programa de estudios es "parcialmente compilado y parcialmente interpretado": la etapa de compilación detecta errores de sintaxis y produce bytecode compacto y portable; la etapa de interpretación permite que ese único archivo de bytecode se ejecute en cualquier máquina que tenga una máquina virtual, a costa de algo de velocidad. Java en modo consola (un programa de texto ejecutado desde la línea de comandos) es el ejemplo del programa de estudios.

Ejemplo resuelto. El código fuente de Java se compila a bytecode, que una JVM luego interpreta. ¿Por qué usar ambos, en lugar de compilar directamente a código máquina? Un compilador produce código máquina para un procesador y sistema operativo, por lo que un programa compilado en una máquina no correrá en otra. El compilador de Java, en cambio, apunta a una máquina virtual, por lo que el bytecode que produce es idéntico en todas partes; cada plataforma luego proporciona su propia JVM para interpretar ese bytecode en sus propias instrucciones nativas. Por lo tanto, un solo archivo compilado corre en cualquier lugar que exista una JVM - "escribe una vez, ejecuta en cualquier lugar". El precio es la velocidad: interpretar bytecode es más lento que ejecutar código nativo, por eso una JVM real también usa compilación JIT para convertir bytecode ejecutado frecuentemente en código nativo mientras el programa se ejecuta. Nombra ambos lados - los puntos son por la portabilidad obtenida a costa de la velocidad.

Un entorno de desarrollo integrado (IDE) reúne las herramientas para escribir, probar y depurar código en una sola aplicación:

El programa de estudios agrupa las características en cuatro tipos. Aprende cuál característica pertenece a cuál, porque las preguntas te piden clasificarlas y describir una de cada grupo.

• Para codificar: avisos sensibles al contexto — mientras escribes, el IDE muestra identificadores, palabras clave o parámetros que corresponden en ese punto del código; autocompletado termina el nombre por ti; la indentación automática y la coincidencia de paréntesis mantienen el formato correcto mientras escribes.
• Para detección inicial de errores: verificaciones de sintaxis dinámicas — el editor verifica la sintaxis mientras escribes y subraya o resalta un error inmediatamente, antes de que el programa se traduzca; después de la traducción, mensajes de error con números de línea.
• Para presentación: prettyprint — palabras clave, identificadores, cadenas y comentarios mostrados en diferentes colores o fuentes (resaltado de sintaxis) con indentación consistente, para que la estructura sea visible de un vistazo; expandir y contraer bloques de código — oculta el cuerpo de un bucle, un IF o una subrutina para que veas el esquema.
• Para depuración: puntos de ruptura — el programa se pausa cuando llega a una línea marcada; paso a paso — desde la pausa, ejecuta una línea a la vez; una ventana que muestra los valores actuales de variables y expresiones a medida que cambian; y una ventana de informe que enumera errores, advertencias y salida.

Otras características: integración de traductores (compilar o ejecutar con una tecla, errores mostrados en línea), un depurador que acciona las funciones de depuración anteriores, integración de control de versiones (git), gestión de proyectos, un sistema de ayuda, herramientas de refactorización (renombrado seguro) e integración de pruebas unitarias.

Un IDE acelera el desarrollo poniendo escribir → ejecutar → depurar → corregir detrás de una sola interfaz. IDEs comunes: Visual Studio, PyCharm, Eclipse, VS Code.

Ejemplo resuelto. Una función Calculate() devuelve un valor inesperado cuando el programa se ejecuta. Describe cómo las funciones de depuración de un IDE típico ayudan a encontrar la causa (4 puntos).

Establece un punto de ruptura en la primera línea de Calculate(), para que el programa se pause allí en lugar de ejecutarse a través. Luego pasa paso a paso a través de la función línea por línea. Después de cada paso lee los valores de las variables y de cualquier expresión que hayas pedido al IDE que vigile, y compáralos con los valores que esperabas; la primera línea después de la cual un valor es incorrecto es donde está el error lógico. La ventana de informe muestra cualquier mensaje de error en tiempo de ejecución y la salida producida hasta ahora.

Ejemplo resuelto. Coloca cada característica en su grupo del programa de estudios: prettyprint, aviso sensible al contexto, verificación de sintaxis dinámica, punto de ruptura, expandir/contraer bloques de código, ventana de informe.

Codificación: aviso sensible al contexto. Detección inicial de errores: verificación de sintaxis dinámica. Presentación: prettyprint, expandir/contraer bloques de código. Depuración: punto de ruptura, ventana de informe.

Una pregunta de definición se califica contra una redacción fija. Aprende estas exactamente, y da solo una respuesta.

• Enumere las funciones del SO según sus nombres del temario (gestión de memoria, procesos, hardware, archivos y seguridad) y explique qué hace cada una: decir simplemente "gestiona recursos" es demasiado vago.
• Comparar compilador vs. intérprete vs. ensamblador: qué traducen, cuándo lo hacen y cómo se informan los errores.
• Explique qué proporciona un IDE utilizando los grupos del temario: codificación, detección inicial de errores, presentación y depuración.
• Una respuesta sobre una "ventaja para el desarrollador" menciona el ahorro del desarrollador: tiempo, coste, experiencia, fiabilidad o mantenimiento. Una "desventaja" menciona una dependencia: disponibilidad, versión, compatibilidad o seguridad.
• Para "describir el funcionamiento de" un traductor, proporcione tres cosas: qué se traduce (programa completo o una sentencia), cuándo (antes de ejecutar o durante la ejecución) y cómo se informan los errores (todos a la vez o en el primer error).

Errores comunes

• Escribir "el OS controla el ordenador" o "gestiona recursos" sin dar una tarea de ejemplo. Cada punto vale por una tarea nombrada con lo que hace.
• Decir que un intérprete "compila línea por línea". Un intérprete traduce y ejecuta cada sentencia; nunca produce un ejecutable.
• Decir que un compilador ejecuta el programa. Solo traduce; el ejecutable se ejecuta después, sin el compilador.
• Colocar una DLL "dentro" del ejecutable. Eso es una biblioteca estática; una DLL permanece como un archivo separado que se carga en tiempo de ejecución.
• Decir que la desfragmentación "elimina" o "comprime" archivos, o que es necesaria en una SSD. Solo mueve bloques para que cada archivo se almacene de forma contigua.
• Clasificar el formateo estético o el colapso de bloques bajo "depuración". Son características de presentación; la depuración incluye puntos de interrupción, paso a paso, observación de variables y ventana de informes.

Estos suenan similares pero significan cosas diferentes:

• seguridad seguridad — proteger los datos contra el acceso, la modificación o la destrucción no autorizada.
• privacidad privacidad — el derecho de una persona a controlar quién ve sus datos personales, con consentimiento y un propósito claro.
• integridad integridad — que los datos sean exactos y completos, sin corrupción ni cambios accidentales.

Un archivo puede ser seguro (solo las personas adecuadas pueden abrirlo) pero carecer de integridad (una errata lo corrompió); o ser exacto pero no privado (cualquiera puede leerlo). Se necesitan los tres.

Las diferencias que exige el plan de estudios, una oración cada una: la seguridad es mantener los datos a salvo de pérdidas y accesos no autorizados; la privacidad es mantener los datos confidenciales, de modo que solo quienes tienen derecho puedan verlos; la integridad es que los datos sean correctos, coherentes y completos. Por tanto, "la diferencia entre seguridad y privacidad": la seguridad se refiere a proteger los datos para que no sean accedidos, modificados o perdidos por personas indebidas; la privacidad se refiere al derecho del individuo a decidir quién puede ver sus datos personales. "La diferencia entre seguridad e integridad": la seguridad protege los datos contra accesos no autorizados; la integridad se refiere a que los datos sean exactos y estén actualizados, lo cual protegen la validación y la verificación.

Dos cosas que proteger: los propios datos (mantener su confidencialidad, integridad y disponibilidad) y el sistema informático (un sistema comprometido puede atacar a otros, robar credenciales o ser secuestrado mediante ransomware).

"¿Por qué necesita la escuela mantener ambos seguros?" Datos: son personales y confidenciales, por lo que no deben ser leídos, modificados ni eliminados por personas no autorizadas, y su pérdida impediría el funcionamiento de la escuela. Sistema: un intruso que acceda al sistema informático puede instalar malware, utilizarlo para atacar otros sistemas, dañar el hardware o software, o bloquearlo con ransomware; un sistema seguro es la primera línea de defensa para los datos que contiene.

Las amenazas se dividen en tres grupos.

1. Malware (software malicioso) — programas dañinos:

• virus — código auto-replicante que se adjunta a otros programas y se propaga cuando estos se ejecutan.
• gusano — código auto-replicante que se propaga a través de redes sin necesidad de intervención del usuario.
• caballo de Troya — parece útil pero oculta código malicioso.
• spyware — recopila información secretamente (pulsaciones de teclado, contraseñas).
• ransomware — cifra tus archivos y exige un pago.
• adware — muestra publicidad no deseada.

2. Engañar a las personas (ataques sociales):

• phishing — correos electrónicos o sitios web falsos que engañan a los usuarios para que faciliten sus credenciales.
• pharming — redirige a un usuario a un sitio falso incluso cuando escribe la dirección correcta.
• ingeniería social — engañar a las personas para que revelen información.

Las descripciones del plan de estudios de las cuatro amenazas nombradas: un virus es software malicioso que se replica (se copia a sí mismo), se adjunta a otros archivos y elimina o corrompe datos; el spyware es software malicioso que registra las pulsaciones de tecla y acciones del usuario y las envía a un tercero para obtener contraseñas y datos personales; un correo de phishing finge provenir de una organización legítima y contiene un enlace a un sitio web falso donde se pide al usuario datos personales o bancarios; el pharming es código malicioso instalado en el ordenador del usuario o en un servidor web que redirige al usuario a un sitio web falso aunque haya escrito la dirección correcta. Similitudes entre spyware y virus: ambos son malware, ambos se instalan sin el conocimiento del usuario, ambos pueden enviar datos a un tercero o dañar el sistema; la diferencia es que el virus se replica mientras que el spyware registra y transmite información. Phishing y pharming llevan ambos al usuario a un sitio web falso que recopila sus datos; el phishing requiere que el usuario haga clic en un enlace en un correo electrónico, mientras que el pharming funciona mediante código en el ordenador o en el servidor DNS y no necesita correo electrónico.

3. Ataques a la red:

• hacking — acceso no autorizado, a menudo mediante contraseñas débiles o vulnerabilidades de software.
• denegación de servicio (DoS/DDoS) — satura un servidor para que los usuarios reales no puedan acceder a él.
• escucha clandestina (eavesdropping) — captura de datos en tránsito (riesgo en Wi-Fi abierto).
• intermediario (man-in-the-middle) — un atacante retransmite o altera secretamente los mensajes entre dos partes.

Ejemplo resuelto. Identifica y describe dos amenazas a los datos en una red escolar, y proporciona un método de prevención diferente para cada una.

Amenaza 1, malware: un virus copiado en un ordenador desde un adjunto de correo electrónico o una descarga se replica y corrompe o elimina archivos; prevención: software antivirus que escanea archivos y se mantiene actualizado. Amenaza 2, hacking: una persona no autorizada obtiene acceso a la red, por ejemplo adivinando una contraseña débil, y lee o modifica los datos; prevención: un cortafuegos que bloquee conexiones no autorizadas, o contraseñas fuertes con autenticación de dos factores. Un tercer par, phishing: un correo electrónico lleva a un usuario a un sitio falso que recopila sus credenciales de inicio de sesión; prevención: formación de usuarios para verificar el remitente y la URL, y filtrado de correo electrónico. La medida debe coincidir con la amenaza: el cifrado no detiene un virus, y el software antivirus no detiene el phishing.