Estructura de Un Computador-1011

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1.-Introducción   .- rocesa or 3.-La Memoria 4.-La Entrada / Salida   .- os uses

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  • 1.-Introduccin2 El P d 2.-El Procesador

    3.-La Memoria 4.-La Entrada / Salida

    5 L B 5.-Los Buses

  • Elementos de un Sistema Basado en Computador:Computador:

    CPU PROCESADOR: nico elemento activo que:Maneja datos e instruccionesManeja datos e instrucciones.Realiza operaciones: transferencia, aritmticas, l i (P J d I t i )lgicas, etc.(Posee un Juego de Instrucciones)Se dice elemento activo porque recibe una p qserie de datos y genera otros diferentes

    MEMORIA: elemento (pasivo) que:Al d t /i t i i lt l Almacena datos/instrucciones, sin alterarlos, en un conjunto de celdas, direccionables por el procesador, para lectura o escritura.Capacidad de direccionamiento de una memoria: Capacidad de direccionamiento de una memoria: M=2 exp n.L id d d fi Kil b La capacidad se define en Kilobytes, Megabytes, Gigabytes.Mapa de memoria de una CPU: datos, programas y E/Sprogramas y E/S.

  • SUBSISTEMA DE ENTRADA/SALIDA (E/S):l t i l t d l elemento que comunica el computador con el

    exterior.El computador ve el subsistema de E/S como un

    conjunto de posiciones de memoria sobre las conjunto de posiciones de memoria sobre las que se puede escribir o leer datos.

    BUS DEL SISTEMA (BUS): elemento que comunica la CPU MEMORIA y E/Scomunica la CPU, MEMORIA y E/S.

    CPU Memoria

    Bus del Sistema

    E/SModelo Von Neumann

  • La CPU lee secuencialmente instrucciones almacenadas en memoria. Esas instrucciones provocan una serie de lecturas y escrituras p ysobre datos tambin guardados en memoria.

    Estructura Interna: Nos basaremos en la Estructura Interna: Nos basaremos en la estructura de un sencillo procesador tipo Von N C t b iNeumann. Componentes bsicos:

    Registro de instruccin (IR): guarda la g ( ) ginstruccin que se va a ejecutar.

    Contador de Programa (PC): registro con la direccin de la siguiente instruccin a ejecutar direccin de la siguiente instruccin a ejecutar (Gua del programa)

    Unidad de control (UC): parte ms compleja Unidad de control (UC): parte ms compleja. Regula todo el flujo interno de informacin.

  • Unidad Aritmtico Lgica (ALU): realiza Unidad Aritmtico Lgica (ALU): realiza operaciones aritmticas y lgicas bsicas.

    PALABRA DEL PROCESADOR: tamao de la informacin que puede manejar el procesador en paralelo En nuestra CPU: 16 puede manejar el procesador en paralelo. En nuestra CPU: 16 bits = 2 bytes. Notar que operandos y resultado de la ALU tienen 4 dgitos en hexadecimal que son 4x4=16 bits.

    Banco de Registros: Registros generales. almacn a corto plazo. Datos intermedios. Su pnmero depende del modelo de procesador.

  • Registro MAR (Memory Address Register): i l l d d l dregistro que almacena la direccin del dato o

    instruccin al que se est accediendo en l d lmemoria. En el caso de las instrucciones su

    valor se carga del registro PC.

    Registro MDR (Memory data Register): primer Registro MDR (Memory data Register): primer registro donde se guarda el dato/instruccin de memoria y ltimo registro donde se deja el de memoria y ltimo registro donde se deja el dato que se escribir en memoria. Interfaz entre la memoria y el resto de registros de la CPUla memoria y el resto de registros de la CPU.

    Otros registros temporales/auxiliares: para guardar datos intermedios que fluyen entre los guardar datos intermedios que fluyen entre los registros generales y el resto de componentes d l CPUde la CPU.

    Registro de Estado (SR) : que guarda informacin de estado proveniente de la ALU informacin de estado proveniente de la ALU.

  • Reloj: peridicamente llega a la unidad de control (UC) Marca la ejecucin del paso de la control (UC). Marca la ejecucin del paso de la instruccin en curso en la CPU. Cuanto ms f t t l l l frecuente sea esta seal, ms veloz ser el procesador. Es la conocida como frecuencia del procesador (Mega/Giga hercios).

  • Definen las operaciones que el procesador puede Definen las operaciones que el procesador puede realizar y su formato (parmetros).

    Formato / Estructura: Formato / Estructura:cdigo de operacin + parmetros. Ejemplo

    Cd Instruccin Op 1 Op 2 Op 3Cd Instruccin Op.1 Op.2 Op.3Leng Mquina

    (Binario) 01 00000 111 000 010(Binario) 01 00000 111 000 010Leng Ensamblador

    (Mnemotcnico) ADD R7 R0 R2(Mnemotcnico) ADD R7 R0 R2

    R lt d i R7 R0+R2 (ADD R7 R0 R2)Resultado operacin: R7=R0+R2 (ADD R7,R0,R2)

    Tipos:I t i d t f i d d t (MOV) Instrucciones de transferencia de datos (MOV): mueven datos dentro de la CPU entre la CPU y la memoria.

    Instrucciones aritmtico-lgicas (ADD, SUB, Instrucciones aritmtico lgicas (ADD, SUB, AND, OR, XOR, NOT, ...).I i d l l (JMP BNZ ) Instrucciones de control o salto (JMP, BNZ, ...): pueden cambiar el flujo secuencial de ejecucin de instrucciones en un programa.

  • Ejemplo de programa con tres instrucciones en cdigo mquina:cdigo mquina:

    Direccin Memoria Instruccin (Leng. Mquina) Traduccin a Leng. Ensamblador100 01 01 1000 0000 0000 (5800 16) CLR R0 ; R0 = 0101 00 01 0000 0100 0000 (1040 16) MOV [R0], R2 ; [R0] = R2101 00 01 0000 0100 0000 (1040 16) MOV [R0], R2 ; [R0] R2102 01 01 0010 0000 0000 (5400 16) INC R0 ; R0 = R0 + 1

    E l j i d i i l CPUEtapas en la ejecucin de una instruccin en la CPU: IF (Instruction Fetch), bsqueda de la instruccin . ( q

    En el registro MAR se deja el contenido del registro PC. Con esta direccin se accede a gmemoria. Se obtiene la instruccin en el registro MDR y luego se mueve al registro IR.y g g

    ID (Instruction Decode), decodificacin y bsqueda de Operandos La UC lee el cdigo de la bsqueda de Operandos. La UC lee el cdigo de la instruccin del registro IR para saber qu hacer. Se determinan los operandos con los que se va a determinan los operandos con los que se va a trabajar.

  • EX (Execution), ejecucin de la instruccin. Puede incluir un acceso a memoria Entra en Puede incluir un acceso a memoria. Entra en funcionamiento la ALU si es una instruccin

    it ti l i d i aritmtico-lgica o se accede a memoria a travs de los registros MAR y MDR si es una instruccin de movimiento con un acceso (lectura/escritura) a datos de memoria.( / )

    E i di i d i Existen diversos tipos de memoria segn se clasifiquen por: tecnologa, coste, estructura,

    l E d d l h d i vel. acceso. En un ordenador las hay de varios tipos.

    Conceptos bsicos (clasificacin): UBICACIN de las memorias: UBICACIN de las memorias:

    CPU (registros), Interna (principal), Externa (secundaria)(secundaria)

    CAPACIDAD: Tamao y nmero de palabras (8 bit 16 bit 32 bit ) l bits, 16 bits,32 bits, ...) que se almacenan en memoria. Expresada en Kbytes,Mbytes GbGbytes.

  • UNIDAD DIRECCIONABLE: nmero de bits id ifi bl b j i di i d identificables bajo una misma direccin de memoria. Si las direcciones a memoria enviadas

    l d b d dpor la CPU son de A bits y se tienen N unidades direccionables (palabras) entonces N=2A.

    UNIDAD DE TRANSFERENCIA: Nmero de bits que se leen/escriben a la vez en memoria.q /

    IMPLEMENTACIONES: semiconductores, soportes magnticos soportes pticos soportes soportes magnticos,soportes pticos, soportes magntico-pticos.CARACTERSTICAS FSICAS l tilid d CARACTERSTICAS FSICAS: volatilidad, borrabilidad, coste por bit.

    La memoria es siempre ms lenta que el procesador CPUprocesador CPU.

    Las memorias con menor tiempo de acceso (rpidas) son caras y tienen poca capacidad.

    Solucin: organizacin de memorias de forma Solucin: organizacin de memorias de forma que el rendimiento global se acerque al ideal => Jerarqua de memoria=> Jerarqua de memoria.

  • CRegistros++n accesos

    +Coste+Velocidad-Capacidad

    Cach

    Memoria Principal

    Cach de disco

    Disco Magntico

    Cinta Magntica Disco ptico--n accesos

    -Coste-Velocidad+Capacidadn accesos +Capacidad

    Almacenan la informacin en circuitos semiconductores mediante seales electrnicassemiconductores mediante seales electrnicas.

    Voltiles: lectura/escritura (R/W) y acceso aleatorio RAM esttica SRAM: utilizadas en memorias

    cach dentro de los chips de los procesadores para ganar en rapidez y eficiencia. Varios Kbytes.g p y y

    RAM dinmicas DRAM: varios tipos como la SDRAM y la DDR-SDRAM DDR. Varios Mbytes o SDRAM y la DDR SDRAM DDR. Varios Mbytes o incluso Gbytes.

  • No voltiles: slo lectura y acceso aleatorio. No voltiles: slo lectura y acceso aleatorio. Uilizadas por ejemplo en la BIOS (y arranque) de un PCde un PC. ROM: programadas (escritas) en fbricas. PROM: programables (escribibles) una sola vez. EPROM: borrables mediante luz ultravioleta. EEPROM: borrado electrnico (BIOS). FLASH EPROM: iguales que EEPROM con ms fcil FLASH EPROM: iguales que EEPROM con ms fcil

    borrado.

    El ordenador se comunica con el mundo exterior mediante perifricos Estos se componen de:mediante perifricos. Estos se componen de: Dispositivo externo o de E/S (ej. monitor, teclado, ratn,

    )...) Mdulo de E/S ( controlador) a modo de adaptador.

    P t di t t l di itiPor qu no conectar directamente los dispositivosexternos al bus que comunica la CPU y la memoria?Problema: control y velocidades diversas, tamao dedatos diferente => Necesidad de hacer una daptacindatos diferente > Necesidad de hacer una daptacin.

  • MDULO DE E/S Controlador (adaptador):P it i i CPU P if i Permite comunicacin CPU-Perifricos.

    Son genricos: un mdulo de E/S puede gestionar di iti t d i f b i t E l dispositivos externos de varios fabricantes. Es la Interfaz entre CPU y dispositivos externos.

    A veces pueden ser incluso autnticos procesadores. Estructura interna:

    Registro de datos: Leer/escr datos Registro de control: Indicaciones y ordenes al perifricog y p Registro de estado: Informacin sobre estado perifrico

  • Acceso de la CPU al mdulo de E/S: E/S comn o mapeada en memoria La CPU ve E/S comn o mapeada en memoria. La CPU ve

    los registros del controlador mdulo de E/S como una extensin de la memoria No hace como una extensin de la memoria. No hace diferenciacin, todo es memoria. La mayora de los procesadores salvo 80x86los procesadores salvo 80x86.

    E/S aislada o separada. La CPU tiene i i i l d l instrucciones especiales para acceder a los perifricos. Se distingue entre un acceso a datos d i d d de memoria y un acceso a datos de un perifrico. : procesadores 80x86 (pentium)

    Mediante E/S programada o por encuesta(polling) :( polling ) : La CPU inicia y realiza la transferencia. La CPU interroga constantemente al registro de

    estado del mdulo de E/S para saber si tiene datos o l l d dsi est listo para la transmisin de nuevos datos.

    Inconveniente: malgasta tiempo de proceso en b ti t l t d d l if icomprobar continuamente el estado del perifrico.

  • Mediante Interrupciones:L CPU li l t f i ti i d l La CPU realiza la transferencia a peticin del perifrico.El d l d E/S i i i l t f i El mdulo de E/S inicia la transferencia con una peticin de interrupcin Lnea/Bus a la CPU desde l if ilos perifricos.

    La CPU responde parando la ejecucin normal del i d l programa que estuviera procesando y lanza un

    subprograma que gestiona la peticin de t f i > R ti d t i l i t itransferencia => Rutina de atencin a la interrupcin

    En un PC los perifricos interrumpen por la misma lnea INT.

    La CPU responde con la seal INTA y a continuacin el perifrico deja en el bus de continuacin el perifrico deja en el bus de datos la direccin del subprograma que debe

    ti l ti i d i t igestionar la peticin de interrupcin.

  • Mediante Acceso Directo a Memoria (DMA): El controlador de E/S se encarga de realizar transf.El controlador de E/S se encarga de realizar transf. La CPU programa el DMA, que es un pequeo

    procesador dedicado a las transferencias masivas de datos.

    Nota: Existen dos tipos de interrupciones segn su i d i imecanismo de activacin:

    Hardware (se activa lnea elctrica del bus)Software (se activa por la ejecucin de una instruccin)

    Unidades de discoM it (ti CRT TFT L d) Monitores (tipos CRT ,TFT, Led)

    Teclados Ratn (mecnicos, pticos, inalmbricos)

    I Pl tt Impresoras y Plotters Modems y dispositivos de redy p Scanners y cmaras de video

    CDROM DVD CDROM y DVD

  • Los componentes de un computador (CPU, M i E/S) t t di t Memoria, E/S) se conectan entre s mediante un conjunto de lneas que transmiten seales con funciones especficas.

    Tres tipos de seales que constituyen un bus: Tres tipos de seales que constituyen un bus: direcciones (de memoria o E/S), datos y controlcontrol.

    Los buses se componen de lneas elctricas que transmiten un nivel alto o bajo de tensintransmiten un nivel alto o bajo de tensin.

    bus de datos: camino para transferir datos entre los componentes de un computador. Su anchura (nm de lneas elctricas) suele ser una ( )potencia de dos (8=23, 16=24, 32=25, 64=26, ...).

    bus de direcciones: designan la posicin bus de direcciones: designan la posicin (direccin) de los datos. Son salidas de la CPU

    d i id d d diy determinan capacidad de direcc.

  • bus de control: controlan el acceso y uso de los buses anteriores y resto de dispositivosbuses anteriores y resto de dispositivos.

    SERIE y PARALELO: los primeros transmiten bit a bit y los segundos varios bits a la vezbit a bit y los segundos varios bits a la vez.

    MULTIPLEXADOS y NO MULTIPLEXADOS DEDICADOS: los multiplexados realizan diferentes funciones en funcin de las necesidades del momento. Ejemplo: bus compartido para direcciones y datos => ahorro compartido para direcciones y datos > ahorro en Hardware y por lo tanto en costes.

  • CENTRALIZADOS y DISTRIBUIDOS (arbitracin): necesidad de determinar qu (arbitracin): necesidad de determinar qu elemento transmite y cul recibe. Generalmente

    i t bit i t li d l CPUexiste arbitracin centralizada por la CPU. SNCRONOS y ASNCRONOS (temporizacin): y ( p )

    cmo ocurren los diferentes eventos (comienzo, fin ) implicados en la transmisin de fin, ...) implicados en la transmisin de informacin. Utilizacin de una seal de reloj (comunicacin sncrona) unas lneas de (comunicacin sncrona) unas lneas de protocolo (comunicacin asncrona).

    Dos buses sern compatibles si son elctricamente idnticos Las caractersticas de los diferentes tipos idnticos. Las caractersticas de los diferentes tipos de buses deben estar normalizadas. Ejemplo: bus PCI AGP USB FireWire Antes slo exista un PCI, AGP, USB, FireWire... Antes slo exista un bus principal que lo conectaba todo: bus del sistema Ahora existen un conjunto de buses sistema. Ahora existen un conjunto de buses conectados entre s y formando una jerarqua. Con

    t j l di i t d t d l t d esto mejora el rendimiento de todo el computador al aunar en los diferentes tipos de buses aquellos

    t d l d d ti j t componentes del ordenador que tienen semejante velocidad de transmisin de la informacin.