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Mapa Conceptual
Computadora.
Su evolución Se conforma Tiene sus orígenes
Generaciones de computadoras
Software Hardware
Modelo Von Neuman
Primera
Segunda
Tercera
CuartaSe clasifica
Memoria Interna y Externa
Dispositivos de Entrada/Salida
Emplea
Códigos de Texto
Para comunicarse
Tipos de Microprocesador
es
Bulbos
Transistores
Circuitos Integrados
Procesadores
1.- ARQUITECTURA DE CÓMPUTO
1.1 Modelos de arquitecturas de cómputo
El porque de la arquitectura de computadoras.
No ver a la computadora como una caja que ejecuta programas mágicamente.
Comprender y valorar los componentes de una computadora sus características, funcionamiento e interacciones.
Para estructurar un programa de forma eficiente.
Seleccionar los dispositivos y los sistemas que se van a usar.
Seleccionar la computadora con la mejor relación calidad precio. (Memoria caché, velocidad de reloj, etc.)
Definición
Atributos o características de un sistema que son visibles para el programador.
Puede sobrevivir muchos años
Incluye aspectos como: El tamaño de los diferentes tipos de datos Tipos de operaciones Mecanismos de entrada/salida (E/S) Direccionamiento de memoria.
Ejercicio.
Realizar un mapa conceptual donde se ilustre el concepto de arquitectura de computadoras.
Realizar un cuadro sinóptico de los elementos que integran una computadora: dispositivos de entrada, salida, y memoria.
MODELOS DE ARQUITECTURAS DE CÓMPUTO.
Se caracterizan por: Incremento de velocidadDisminución de tamaño de los componentes.Aumento del tamaño de la memoria.Aumento de capacidad de entrada/salidaOrganización del procesador.
1.1.1 ARQUITECTURA CLÁSICA:
Características
Se desarrollo en las primeras computadoras (electromecánicas y de tubos de vacío)
Fue diseñado por Jhon Von Newman que consta de los siguientes elementos:
Dispositivos de entrada, de proceso, de almacenamiento y de salida
Su desventaja es el bus de datos y direcciones es único (toda la información que se lee o escribe se pasa a la memoria lo que ocasiona un cuello de botella).
Los datos y los programas se almacenan en la memoria antes de ser utilizados obligando a que todos los accesos a esta sean secuenciales.
Dispositivos de Entrada
Un dispositivo de entrada le permite comunicarse con una computadora .puede utilizarlo para ingresar información y emitir comandos.
Teclado, Mouse Joystick
Dispositivo Salida
Permite a una computadora comunicarse. Estos dispositivos muestran la información en una pantalla , crean copias impresas o generan sonidos .
Monitor , Impresora y Bocinas.
Procesador
La unidad central de proceso (CPU) procesa instrucciones , realiza cálculos y administra el flujo de información a través de un sistema de computación .También se comunica con los dispositivos de entrada y salida y almacenamiento para realizar diferentes tareas.
Se divide en:
Unidad de control (C.U.) Genera señales de control para leer el código de las instrucciones, decodificarlas y hacer que la ALU las ejecute.
Unidad lógica aritmética (ALU) proporciona la capacidad de realizar operaciones.
Registros para almacenar internamente datos y estados del procesador.
Almacenamiento
Se utiliza para colocar información en medios de almacenamiento .La computadora emplea la información almacenada en esos medios para realizar tareas.
Unidades de disco duro , Disquetes , Cd-rom Dvd-rom. Memoria USB
Arquitectura Harvard
El programa se almacena como un código numérico en la memoria, pero no en el mismo espacio ni en el mismo formato que los datos.
Cuenta con un bus para el programa y otro para los datos que permite que se lea una instrucción al mismo tiempo que le de la memoria de datos los operados de la instrucción previa.
Se elimina el cuello de botella.
1.1.2 ARQUITECTURA SEGMENTADAS
Características
Realiza paralelamente varias etapas del ciclo de instrucción al mismo tiempo.
B1 E1 B2 E2 B3 E3
Unidad de búsqueda
Cola de Instrucciones
Unidad de ejecución
1.1.3 ARQUITECTURAS DE MULTIPROCESAMIENTO.
Características
Varios procesadores trabajan con la misma memoria, esto permite que se realicen varios procesos con una velocidad mucho mayor, también pueden intercambiar procesos entre ellos.
Las siglas SMP (multiprocesamiento simétrico o multiprocesador simétrico) hacen referencia a la arquitectura en la que todos los procesadores acceden a la misma memoria compartida.
Las CPU de multiprocesamiento se clasifican de la siguiente manera:● SISO – (Single Instruction, Single Operand ) computadoras independientes● SIMO – (Single Instruction, Multiple Operand ) procesadores vectoriales● MISO – (Multiple Instruction, Single Operand ) No implementado● MIMO – (Multiple Instruction, Multiple Operand ) sistemas SMP, Clusters
1. ARQUITECTURAS DE CÓMPUTO
1.2 Análisis de los componentes
1.2.1 CPU (UNIDAD CENTRAL DE PROCESO)
Definición
Elemento fundamental de la computadora
Se realizan las operaciones de cálculo
Controla los componentes conectados a el y que le dan apoyo
Controla y gestiona el tráfico de datos entre la unidad central y los periféricos
Se divide en: Unidad de control Unidad aritmético lógica Registros
Diagrama de CPU
Arquitecturas.
Áreas principales a cubrir en el diseño del procesador: La arquitectura: Es lo que hace la diferencia
entre el rendimiento de una CPU y otra La tecnología de proceso: Se refiere a los
materiales y técnicas utilizadas en la fabricación del circuito integrado
El encapsulado: Se refiere a cómo se integra un procesador con lo que lo rodea en un sistema funcional, que de alguna manera determina la velocidad total del sistema
Arquitecturas.
CISC (complex instruction set computer) Computadoras con un conjunto de instrucciones complejo.
RISC (reduced instruction set computer) Computadoras con un conjunto de instrucciones reducido.
Arquitecturas.
Los atributos complejo y reducido describen las diferencias entre los dos modelos de arquitectura para microprocesadores solo de forma superficial.
En principio, parece que la tecnología CISC es mucho más ventajosa que la RISC. Pero no es así:
Un micro CISC tarda mucho tiempo en ejecutar cada una de esas instrucciones.
En cambio un micro RISC, como sólo entiende unas cuantas, su diseño interno le permite ejecutarlas en muy poco tiempo, a una gran velocidad, mucho más rápido que un microprocesador CISC.
Arquitecturas CISC
Tienen un conjunto muy amplio de instrucciones y permite operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos.
Dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples, llamadas generalmente microinstrucciones. Las cuales son decodificadas internamente y ejecutadas con una serie de microinstrucciones almacenadas en una ROM interna. Para esto se requieren de varios ciclos de reloj (al menos uno por microinstrucción).
Arquitecturas CISC
Pertenecen a la primera corriente de construcción de procesadores.
Ejemplos de ellos son: Motorola 68000, Zilog Z80 y toda la familia Intel x86
Para realizar una sola instrucción requiere de cuatro a diez ciclos de reloj.
Entre las ventajas de CISC destacan las siguientes: Reduce la dificultad de crear compiladores. Permite reducir el costo total del sistema. Reduce los costos de creación de software. Mejora la compactación de código. Facilita la depuración de errores.
Arquitectura RISC
Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos.
Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos.
El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria.
Traducen instrucciones basadas en CISC x86 a instrucciones más simples basadas en RISC para uso interno antes de su ejecución.
Arquitectura RISC
Tendrá menos transistores dedicados a la lógica principal. Incrementar el tamaño del conjunto de registros.
Mayor velocidad en la ejecución de instrucciones. Implementar medidas para aumentar el paralelismo interno. Añadir cachés enormes. Añadir otras funcionalidades, como E/S y relojes para minicontroladores. No ampliar las funcionalidades, y por lo tanto ofrecer el chip para
aplicaciones de bajo consumo de energía o de tamaño limitado.
Arquitectura RISC
Entre las ventajas de RISC tenemos las siguientes: La CPU trabaja mas rápido al utilizar menos ciclos de reloj
para ejecutar instrucciones. Utiliza un sistema de direcciones no destructivas en RAM.
Conserva después de realizar sus operaciones en memoria los dos operandos y su resultado, reduciendo la ejecución de nuevas operaciones.
Cada instrucción puede ser ejecutada en un solo ciclo del CPU
Tipos:
Por tamaño del ALU o del Bus de conexión al exterior (8, 16, 32, 64 bits)
De cauce segmentado o no segmentado
CISC o RISC
Von Newan o Harvard
Instrucciones enteras y/o de punto flotante
Tipos:
Fabricantes actuales: Intel AMD
Velocidades: Hay un chip de reloj: oscila a una frecuencia cuando se le aplica electricidad
proporcionando la velocidad al sistema.. Cada clic de reloj se mide en miles de millones de ciclos por segundo: 1 ciclo por segundo en 1 Hz => 1 millón será 1 GHz. Por ejemplo con un reloj de 100 MHz x 13 (factor) = 1.300 MHz. ( ósea el procesador hará
1.300 millones de pasos por segundo).
Características
Velocidad Actualmente se habla de frecuencias de Gigahercios (GHz.), o de Megahercios (MHz.). Lo
que supone miles de millones o millones, respectivamente, de ciclos por segundo No se puede medir solamente en función de su 'frecuencia de reloj', sino que interviene
también la cantidad de instrucciones que es capaz de gestionar a la vez, lo que se conoce como 'ancho de bus' (cantidad máxima de información en bruto transmisible) que se mide en bits.
Un bit es una pareja del tipo '0/0', '0/1', '1/1' o '1/0' en el código binario: cuantos más bits admita el 'ancho de bus', códigos más largos de ceros y unos se pueden procesar.
Tipos y Características de los Microprocessadores
Nombre del Procesador
Socket o slot en el cual va insertado.
El set de instrucciones.
La fecha de salida.
Cantidad de transistores.
Escala de fabricación.
Tamaño.
Corriente máxima.
Consumo.
Frecuencia.
Cantidad de cache de primer nivel.
Cantidad de cache de segundo nivel.
Cantidad de cache de tercer nivel.
Velocidad de bus frontal.
Multiplicador de bus.
Ejercicio.
Buscar software que de las características del procesador Características
Generaciones de los procesadores. Características De la tabla anterior marcar los procesadores por generación
Funcionamiento(ALU, Unidad de control, Registros y Buses Internos)
Unidad de Control: Coordina todas las tareas que realiza la computadora Determina que operaciones se deben realizar y en que orden (búsqueda, decodificación, y
ejecución de la instrucción). Sincroniza todo el proceso de la computadora, dependiendo de la interpretación de las
instrucciones que integran los programas, Genera el conjunto de ordenes elementales necesarias para que se realice los procesos
necesarios. Para realizar su función, consta de los siguientes elementos:
Registro de contador de programas (CP) Registro de Instrucciones (RI) Registro de Direcciones (RD) Decodificador (D) Reloj (R) Generador de Señales o Secuenciador (S)
Unidad de Control
Pasos en que se divide este proceso: Extrae de la memoria principal la instrucción a ejecutar Establece la configuración de las puertas lógicas que se van a ver involucradas en la
operación de calculo solicitada, estableciendo el circuito que va a resolverla Busca y extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción
indicada en el paso 1 Ordena a la unidad involucrada en la resolución de la instrucción que realice las
operaciones Si la operación realizada proporciona nuevos datos, estos se almacenan en la memoria
principal Se incrementa el contenido del registro puntero de instrucciones.
Elementos de la unidad de control
Registro de contador de programas (CP). Contiene permanentemente la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar. Si la instrucción que se está ejecutando en un instante determinado es de salto o de
ruptura de secuencia, el CP tomará la dirección de la instrucción que se tenga que ejecutar a continuación; esta dirección la extraerá de la propia instrucción en curso.
Una vez obtenida y antes de continuar con los siguientes pasos una señal de control incrementa el CP en una unidad, por lo cual los programas deben estar escritos (cargados) en posiciones consecutivas de memoria. El CP pasa la dirección al Registro de Direcciones
Registro de Direcciones (RD). Contiene la dirección de memoria donde se encuentra la próxima instrucción y esta
comunicado con el Bus de Direcciones. El tamaño de este registro determina el tamaño de la memoria que puede direccionar Con la dirección de memoria, se transfiere a través el Bus de Datos desde la memoria
central al Registro de Datos en la UC la instrucción correspondiente. Esta transferencia se realiza mediante señales de control. Una vez que la instrucción se
encuentra en la CPU, el código de la instrucción pasa al registro de instrucciones.
Elementos de la unidad de control
Registro de Instrucciones (RI). Contiene la instrucción que se está ejecutando en cada momento. Esta instrucción llevará consigo el código de operación (CO), acción de que se trata, y en su
caso los operandos o las direcciones de memoria de los mismos. Pasa el CO al decodificador.
Decodificador (D). Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso (que está
en el RI) y dar las señales necesarias al resto de los elementos para su ejecución por medio del Generador de Señales.
Generador de Señales(GS). En este dispositivo se generan órdenes muy elementales que, sincronizadas por los impulsos
del reloj, hacen que se vaya ejecutando poco a poco la instrucción que está cargada en el RI.
Reloj (R). Proporcionar una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes (frecuencia
constante), que marcan los instantes en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción.
Unidad de control
Unidad aritmético–lógica (ALU)
Esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético (generalmente sumas o restas) y de tipo lógico (generalmente comparaciones).
Procesa los datos
Para realizar su función se deben de proporcionar los siguientes datos:
El código que indique la operación a efectuar La dirección de la celda donde esta almacenado el primer sumando La dirección del segundo sumando implicado en la operación La dirección de la celda de memoria donde se almacenara el resultado
Unidad aritmético–lógica (ALU)
Operaciones aritméticas: Suma Resta División Multiplicación
Operaciones lógicas: Yes (si) Or (o) Not (no) And (y)
Ay B son operandosR es la salidaF es la entrada de la UCD es un estado de salida
Unidad aritmético–lógica (ALU)
Banco de registros (BR). Está constituido por 8, 16 ó 32 registros de tipo general que sirven para situar datos antes
de cada operación, para almacenar datos intermedios en las operaciones y para operaciones internas del procesador.
Circuitos operadores (CIROP). Compuesto de uno o varios circuitos electrónicos que realizan operaciones elementales
aritméticas y lógicas (sumador, complementador, desplazador, etc).
Registro de resultado (Acumulador RR). Se trata de un registro especial, en el que se depositan los resultados que producen los
circuitos operadores.
Señalizadores de estado (SE). Registro en los que se deja constancia de algunas condiciones que se dieron en la última
operación realizada (en una resta saber si el resultado fue 0, + o -).
Unidad aritmético–lógica (ALU)
Los estados mas comunes son: Z= resultado 0 N = resultado negativo V = el resultado supera el numero de bits que puede manejar la ALU P = Paridad del numero 1 en los datos I = Interrupción C= Acarreo de la operación realizada
http://www.sites.upiicsa.ipn.mx/polilibros/portal/Polilibros/P_terminados/PolilibroFC/Unidad_II/Unidad%20II_2.htm
http://www.econ.uba.ar/www/departamentos/sistemas/plan97/tecn_informac/briano/seoane/tp/2002_1/UnidadCentralProceso.htm
http://www.todo-programacion.com.ar/archives/2005/04/la_unidad_centr.html
http://serdis.dis.ulpgc.es/~ii-pint/Recursos/otros/Trabajos1/Procesadores%20Generaci%C3%B3n%20%20-%20OjedaReyes_Aaron/Generaciones_procesadores.pdf
http://www.aliatuniversidades.com.mx/bibliotecasdigitales/pdf/sistemas/Arquitectura_computadoras_I.pdf
http://www.pcnet.com.es/hardware/cpu.html