Este libro trata sobre la estructura y función de los ordenadores. Su propósito es presentar, en forma clara y completa como sea posible, la naturaleza y características de los modernos ordenadores.

Esta tarea es un reto por dos razones. En primer lugar, hay una enorme variedad de productos, desde un solo chip microcomputadoras cuestan unos pocos dólares a las supercomputadoras que cuestan decenas de millones de dólares, que puede reclamar con razón el nombre del equipo. En la variedad está expuesto no sólo en el costo, sino también en tamaño, rendimiento y aplicación. En segundo lugar, el rápido ritmo de cambio que siempre ha caracterizado a la tecnología informática continúa sin tregua. Estos cambios abarcan todos los aspectos de la tecnología informática, de la tecnología de circuitos integrados subyacentes utilizados para construir los componentes del equipo a la creciente utilización de los conceptos de organización paralela en la combinación de esos componentes.

A pesar de la variedad y ritmo de los cambios en el campo de la informática, algunos conceptos fundamentales se aplican consistentemente a lo largo. Sin duda, la aplicación de estos conceptos depende del estado actual de la tecnología y los objetivos de calidad/precio del diseñador. La intención de este libro es proporcionar una amplia discusión sobre los fundamentos de la organización informática y arquitectura y relacionarlos con los problemas contemporáneos de diseño por computadora. En este capítulo se introduce el enfoque descriptivo que deban tomarse.

ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA

En la descripción de las computadoras, se distingue a menudo entre la arquitectura de computadores y la organización de equipo.  Aunque es difícil dar una definición precisa de estos términos, existe un consenso sobre las áreas generales cubiertas por cada uno (por ejemplo, ver [VRAN80], [SIEW82], y [BELL78a]); una visión alternativa interesante se presenta en [REDD76].

Arquitectura de computadores se refiere a los atributos de un sistema visible de un programador o, dicho de otro modo, los atributos que tienen un impacto directo en la ejecución lógica de un programa. Organización de equipo se refiere a las unidades operativas y sus interconexiones que se dan cuenta de las especificaciones arquitectónicas. Ejemplos de atributos arquitectónicos incluyen el conjunto de instrucciones, el número de bits utilizados para representar distintos tipos de datos (por ejemplo, números, caracteres), los mecanismos de E / S, y las técnicas para hacer frente a la memoria. Los atributos de la organización son los detalles de hardware transparentes para el programador, como por ejemplo las señales de control, interfaces entre el ordenador y los periféricos, y la tecnología de memoria utilizada.

Por ejemplo, es un problema de diseño arquitectónico si un equipo tiene una instrucción de multiplicación. Es una cuestión de organización ya sea que la instrucción se llevará a cabo por una unidad especial o se multiplican por un mecanismo que hace que el uso repetido de la unidad de añadir el sistema. La decisión de la organización puede estar basada en la frecuencia prevista de uso de la instrucción de multiplicación, la velocidad relativa de los dos enfoques, y el tamaño de costos y física de una unidad especial de multiplicar.

Históricamente, y aún hoy, la distinción entre la arquitectura y la organización ha sido muy importante. Muchos fabricantes de computadoras ofrecen una familia de modelos de computadora, todos con la misma arquitectura, pero con diferencias en la organización. En consecuencia, los diferentes modelos de la familia tienen diferentes precios y características de rendimiento. Por otra parte, una arquitectura en particular puede abarcar muchos años y abarcan una serie de modelos de ordenador, su organización cambia con los cambios tecnológicos. Un ejemplo destacado de estos dos fenómenos es la arquitectura de IBM System/370. Esta arquitectura se introdujo por primera vez en 1970 e incluyó una serie de modelos. Los clientes con requisitos modestos podían comprar un modelo más barato, más lento y, si la mayor demanda, después de actualizar a uno más caro, el modelo más rápido sin tener que abandonar software que ya había sido desarrollado. Con los años, IBM ha presentado los nuevos modelos con tecnología mejorada para reemplazar a los modelos anteriores, ofreciendo al cliente una mayor velocidad, menor costo, o ambos. Estos nuevos modelos mantienen la misma arquitectura para que la inversión del cliente software está protegido. Sorprendentemente, la arquitectura System/370, con algunas mejoras, ha sobrevivido hasta nuestros días como la arquitectura de IBM principal línea de productos de marco.

En una clase de computadoras llamadas microcomputadoras, la relación entre la arquitectura y la organización está muy cerca. Cambios en la tecnología no sólo influyen en la organización, pero también dan lugar a la introducción de las arquitecturas más potentes y más complejos. En general, hay menos de un requisito de la compatibilidad de generación a generación de estas máquinas más pequeñas. Por lo tanto, hay más interacción entre las decisiones de diseño organizativo y arquitectónico. Un ejemplo interesante de esto es el conjunto reducido de instrucciones (RISC), que examinaremos en el capítulo 13.

Este libro examina tanto la organización de la computadora y la arquitectura de computadores. El énfasis es tal vez más en el lado de la organización. Sin embargo, debido a una organización de equipo debe estar diseñado para implementar una especificación de arquitectura particular, un tratamiento exhaustivo de la organización requiere un examen detallado de la arquitectura.

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN

Una computadora es un sistema complejo, los ordenadores actuales contienen millones de componentes electrónicos elementales. ¿Cómo puede, entonces, una clara describirlos? La clave está en reconocer la naturaleza jerárquica de la mayoría de los sistemas complejos, incluyendo la computadora [SIMO96]. Un sistema jerárquico es un conjunto de subsistemas interrelacionados, cada uno de éstos, a su vez, una estructura jerárquica hasta llegar a un nivel más bajo del subsistema de primaria.

La naturaleza jerárquica de los sistemas complejos es esencial tanto para su diseño y su descripción. El diseñador sólo necesita hacer frente a un determinado nivel del sistema a la vez. En cada nivel, el sistema consta de un conjunto de componentes y sus interrelaciones. El comportamiento en cada nivel depende sólo de una forma simplificada, abstracta caracterización del sistema en el nivel inmediatamente inferior. En cada nivel, el diseñador tiene que ver con la estructura y función:

• Estructura: La forma en que los componentes están relacionados entre sí• Función: La operación de cada componente individual como parte de la estructura

En cuanto a la descripción, tenemos dos opciones: a partir de la parte inferior y la construcción de una descripción completa, o que comienzan con una vista superior y la descomposición del sistema en sus sub partes. La evidencia de una serie de campos sugiere que el enfoque de arriba abajo es el más claro y más eficaz [WEIN75].

El enfoque adoptado en este libro se desprende de este punto de vista. El sistema informático se ha descrito de arriba hacia abajo. Comenzamos con los principales componentes de un ordenador, que describe su estructura y función, y proceder a las capas sucesivamente más bajos de la jerarquía. El resto de esta sección se ofrece una breve visión general de este plan de ataque.

FunciónTanto la estructura y el funcionamiento de una computadora son, en esencia, simple. La figura 1.1 muestra las funciones básicas que una computadora puede realizar. En términos generales, sólo hay cuatro:

• Procesamiento de datos• Almacenamiento de datos• Movimiento de datos• Control

El equipo, por supuesto, debe ser capaz de procesar los datos. Los datos pueden tener una gran variedad de formas, y la gama de requisitos de procesamiento es muy amplio. Sin embargo, veremos que sólo hay unos cuantos métodos fundamentales o los tipos de procesamiento de datos.

También es esencial que un almacén de datos de ordenador. Incluso si el equipo está procesando los datos sobre la marcha (es decir, los datos proceden de obtener y procesar, y los resultados salen inmediatamente), el equipo debe almacenar temporalmente por lo menos los fragmentos de datos que se está trabajando en un momento dado. Por lo tanto, hay por lo menos a corto plazo la función de almacenamiento de datos. Igualmente importante, el equipo realiza una función a largo plazo de almacenamiento de datos. Archivos de datos se almacenan en el ordenador para posterior recuperación y actualización.

El equipo debe ser capaz de mover datos entre sí y el mundo exterior. Entorno operativo del equipo se compone de dispositivos que sirven como fuentes o destinos de datos Cuando se reciben o entregan a un dispositivo que se conecta directamente al ordenador, el proceso es conocido como input-output (I / O), y el dispositivo se conoce como un periférico. Cuando los datos se mueven en distancias más largas, hacia o desde un dispositivo remoto, el proceso se conoce como comunicaciones de datos.

Por último, debe haber un control de estas tres funciones. En última instancia, este control es ejercido por el individuo (s) que ofrece la computadora con instrucciones. Dentro del equipo, una unidad de control gestiona los recursos del ordenador y organiza el funcionamiento de sus partes funcionales en respuesta a esas instrucciones.

En este nivel de debate general, el número de operaciones posibles que se pueden realizar es unos pocos. Figura 1.2 muestra los cuatro posibles tipos de operaciones. El equipo puede funcionar como un dispositivo de movimiento de datos (Figura 1.2a), la simple transferencia de datos de una vía periférica o de la comunicación a otro. También puede funcionar como un dispositivo de almacenamiento de datos (Figura 1.2b), con los datos transferidos desde el medio externo para almacenamiento de equipo (lectura) y viceversa (escritura). Los dos últimos diagramas muestran operaciones de procesamiento de datos, en los datos, ya sea en el almacenamiento (Figura 1.2c) o en ruta entre el almacenamiento y el ambiente externo (Figura 1.2d).

El análisis anterior puede parecer absurdo generalizado. Es ciertamente posible, incluso a un nivel superior de la estructura del equipo, para diferenciar una variedad de funciones, pero, en palabras de [SIEW82],

Hay muy poco la formación de la estructura del equipo para adaptarse a la función a realizar. En la raíz de esto se encuentra la naturaleza de propósito general de las

computadoras, en el que todos la especialización funcional se produce en el momento de la programación y no en el momento del diseño.

Estructura

Figura 1.3 es la representación más simple posible de una computadora. La computadora interactúa de alguna manera con su entorno exterior. En general, todos sus vínculos con el ambiente externo pueden ser clasificados como dispositivos periféricos o líneas de comunicación. Vamos a tener algo que decir sobre los dos tipos de vínculos.

Pero la mayor preocupación en este libro es la estructura interna de la computadora en sí misma, que se muestra en la Figura 1.4. Hay cuatro componentes estructurales principales:

• Unidad de procesamiento central (CPU): Controla el funcionamiento de la computadora y lleva a cabo sus funciones de procesamiento de datos, más comúnmente conocida como procesador.

• Memoria principal: Almacena los datos.

• E / S: los datos se mueven entre el ordenador y su entorno externo.

• Sistema de Interconexión: un mecanismo que permite la comunicación entre la CPU, la memoria principal, y E/S. Un ejemplo común de interconexión del sistema es por medio de un bus de sistema, que consiste en una serie de hilos conductores para que todos los demás componentes adjuntar.

Puede haber uno o más de cada uno de los componentes antes mencionados. Tradicionalmente, ha sido sólo de un único procesador. En los últimos años, ha aumentado el uso de múltiples procesadores en un único equipo. Algunos problemas de diseño relacionados con los procesadores de varios cultivos y se discuten a medida que avanza el texto, la quinta parte se centra en dichos equipos.

Cada uno de estos componentes se examinarán en detalle en la segunda parte. Sin embargo, para nuestros propósitos, el más interesante y de alguna manera el componente más complejo es el de la CPU. Sus componentes estructurales principales son los siguientes:

• Unidad de control: Controla el funcionamiento de la CPU y por lo tanto el equipo• La aritmética y la unidad lógica (ALU): Realiza las funciones de la computadora de procesamiento de datos• Registros: proporciona almacenamiento interno a la CPU• CPU de interconexión: un mecanismo que permite la comunicación entre la unidad de control, ALU y registros

Cada uno de estos componentes se examinarán en detalle en la tercera parte, donde veremos que la complejidad se añade el uso de técnicas de organización paralela y segmentado. Por último, existen varios métodos para la ejecución de la unidad de control, un enfoque común es una implementación micro programado. En esencia, una unidad de control micro programada opera mediante la ejecución de microinstrucciones que definen la funcionalidad de la unidad de control. Con este enfoque, la estructura de la unidad de control puede ser representado, como en la Figura 1.4. Esta estructura será examinado en la cuarta parte.

1.1. ¿Cuál es, en términos generales, es la distinción entre la organización informática y arquitectura de la computadora?1.2. ¿Cuál es, en términos generales, es la distinción entre estructura y función de equipo informático?1.3. ¿Cuáles son las cuatro funciones principales de un ordenador?1.4. Lista y definir brevemente los principales componentes estructurales de un ordenador.1.5. Lista y definir brevemente los principales componentes estructurales de un procesador.