Tema3 Hardware de Procesamiento de Datos

Introduccin a la Informtica 2007 Tema

Licenciatura en Sistemas de Informacin FACENA-UNNE Pg. 1

3 TEMA 3: Hardware de Procesamiento de Datos

El objetivo de este tema es entender la forma en que la computadora procesa los datos. Para ello se realizar primero una descripcin general del hardware y de los bloques funcionales que lo componen, para luego tratar ms especficamente los componentes fundamentales en el procesamiento de datos: la unidad central de procesamiento (CPU) y la memoria. Finalmente, con el fin de relacionar los conceptos dados con las caractersticas tecnolgicas de estos componentes, se describirn los mismos en el contexto del hardware de una microcomputadora.

1. Qu es el Hardware? El hardware de una computadora es la totalidad fsica, conformada por todos los componentes de su equipamiento: circuitos electrnicos (microcircuitos contenidos en chips), plaquetas que los soportan, cables o caminos conductores (buses) que los interconectan, mecanismos, discos, motores, cintas, gabinetes, pantallas, teclas, etc.

1.1. Bloques funcionales del hardware En el procesamiento de datos, realizado en cualquier computadora, se realizan los siguientes procesos:

Cada uno de estos procesos los realizan los bloques funcionales: perifricos de entrada, memoria, unidad central de proceso, perifricos de salida. Los bloques se comunican elctricamente entre s, a travs de caminos formados por un conjunto de cables o lneas conductoras que constituyen un bus.

Perifricos desalida

Perifricos deentrada

Memoriaprincipal

Unidad central deproceso (UCP)

bus

bus

Registros

Unidadde

control

UAL

Instr.

Datos

Porcincentral

bus

ENTRADA MEMORIZACIN PROCESAMIENTO SALIDA

Unidad dedisquete

Mdem

Teclado

Scanner

Unidad dedisco

CD-ROM

I

I

I

I

I

I

Monitorcon

pantallaI

Unidad dediscoI

Unidad dedisqueteI

ImpresoraI

ParlanteI

MdemI

PlotterI

Mouse I

Inst

rucc

ione

sD

atos

Instrucciones

Datos

Resultados

Instrucciones

RI

AX

Resultados

En el grfico se muestra como se relacionan los bloques funcionales. A los fines didcticos, aparecen repetidos dispositivos que pueden actuar tanto para la entrada como para la salida de datos (ej. Unidades de disco y disquete). En lneas generales, en la figura mostrada, se

ENTRADA MEMORIZACION PROCESAMIENTO SALIDA



3 supone que un disco de la unidad de disco rgido provee un programa cuyas instrucciones pasarn a travs de buses a la memoria y los datos, llegan, -tambin a travs de buses- a la memoria, provenientes del teclado. Luego las instrucciones del programa son ejecutadas, una por vez, para lo cual primero cada una por un bus llega al registro de instruccin (RI) de la U.C.P., donde permanece mientras se ejecuta, para que la Unidad de Control interprete que operacin ordena.

A continuacin, a travs del mismo bus, el dato a operar por dicha instruccin llega desde la memoria a un registro acumulador (AX) del procesador, antes de ser operado (conforme a la operacin ordenada) en la ALU, a fin de obtener un resultado. Este puede sustituir en el registro AX al dato ya operado, y luego, pasar a la memoria -nuevamente a travs del bus citado- si una instruccin as lo ordena. Una vez que el resultado est en la memoria, la instruccin siguiente podra ser visualizarlo en la pantalla, guardarlo en un disquete, etc.

Los dispositivos que se encargan de entrar desde el exterior datos e instrucciones hacia la computadora, o dar salida de resultados de la computadora al exterior, se denominan perifricos o unidades de entrada salida. Su funcin principal es convertir datos externos en internos en las operaciones de entrada, o a la inversa en las operaciones de salida. De estos bloques funcionales, trataremos en los prximos temas.

Un perifrico no se conecta directamente al procesador central, sino por medio de una Interfaz circuital, indicada con la letra I en el grfico inicial, que en una PC en general, est contenida en una tarjeta que se inserta en un zcalo apropiado de la placa madre.

La UC no gobierna directamente a los perifricos mediante lneas que llegan a ellos, sino que la CPU ejecuta un subprograma preparado para cada perifrico (drivers o controladores), merced al cual desde la CPU llega a la interfaz del perifrico cada comando que ordena a la electrnica de ste qu debe hacer.

Distintos circuitos de un computador se comunican entre s mediante un conjunto de lneas, cables, conductores, que los interconectan elctricamente, los cuales configuran una estructura de conexin. Estas comunicaciones se denominan bus.

En general, en un bus encontramos lneas para la transmisin de datos, direcciones y seales de control, denominados respectivamente bus de datos, bus de direcciones y bus de control. Se describen ms adelante las caractersticas de los dos primeros.

1.2. Resumen del funcionamiento bsico de una computadora 1. Los datos y las instrucciones del programa deben llegar a la memoria principal (MP)

desde perifricos. Cada instruccin est codificada mediante una combinacin de unos y ceros, esta codificacin consta de dos partes: una es el cdigo de instruccin que indica que har la computadora, la otra parte contiene las direcciones de memoria donde se hallan el o los datos que se operarn en esta instruccin.

2. La UC localiza en MP la instruccin que debe ser ejecutada, para que su cdigo llegue a la CPU, donde la UC determinar qu ordena ese cdigo.

3. La instruccin es interpretada o decodificada por la UC, luego de lo cul la UC ordena encaminar los datos hacia la UAL, indicando la operacin que debe realizar o a los perifricos si la instruccin es de entrada/salida. La instruccin codificada permite localizar los datos que operar, la operacin concreta a realizarse, donde se guardar el resultado y donde se localiza la prxima instruccin en MP. La UC cumplimenta todo lo especificado en la instruccin.

4. Se vuelve al paso 2.

2. Unidad Central de Proceso (CPU) Se denomina Unidad Central de Proceso al conjunto formado por:

La Unidad de Control La Unidad Aritmtica Lgica Los registros usados durante la ejecucin de cada instruccin. La CPU es el cerebro de la computadora, el lugar donde se lleva a cabo la ejecucin de las instrucciones. En los sistemas de computacin ms grandes, por ejemplo, las



3 supercomputadoras y los mainframes, las tareas de procesamiento pueden controlarse por mltiples chips de procesamiento. En una microcomputadora, la CPU est contenida en el chip microprocesador (por ejemplo, el 80386/80486/Pentium, 68000, PowerPC, Pentium IV, AMD Athlon, etc.).

Los trminos CPU, microprocesador y procesador, suelen ser sinnimos.

2.1. Unidad de Control (UC) La Unidad de Control es el centro lgico de la computadora. Puede considerarse como un polica de trnsito dirigiendo el flujo de datos a travs de la CPU, adems del flujo hacia otros dispositivos y desde ellos. Es un circuito especializado, cuya funcin es obtener de la memoria las instrucciones del programa y ejecutarlas. Estas acciones forman parte de una secuencia siempre repetitiva:

Obtener de la memoria la prxima instruccin que corresponde ejecutar, Localizar los datos a operar en la memoria, en un AX u otro registro, segn se indique. Ordenar al circuito de la UAL que realice con dichos datos, la operacin indicada, o a los

canales correspondientes, si la instruccin es de entrada o salida de datos.

Guardar el resultado en un registro acumulador o en la memoria principal. Por lo tanto: La UC tiene a su cargo el secuenciamiento de las acciones necesarias que deben realizar los circuitos involucrados en la ejecucin de cada instruccin, segn el cdigo de la misma; respetando el orden de ejecucin de las instrucciones establecido en el programa.

Se denomina conjunto de instrucciones a todas las operaciones que la CPU puede ejecutar. Este conjunto de instrucciones est integrado en la Unidad de Control. Cada instruccin del conjunto de instrucciones est expresada en microcdigo: instrucciones bsicas que le dicen a la CPU la forma en que debe ejecutar las operaciones ms complejas.

La UC ordenar mediante seales elctricas transmitidas por canales o cables, las operaciones (aritmticas o lgicas) que debe realizar la Unidad Aritmtica Lgica (UAL).

2.2. Unidad Aritmtico Lgica (UAL) Debido a que todos los datos en la computadora estn almacenados como nmeros (tener presente los cdigos de representacin de datos del Tema 2) gran parte del procesamiento involucra la comparacin de nmeros la realizacin de operaciones aritmticas. Por lo tanto, la UAL sirve para realizar las operaciones aritmticas o lgicas que le ordene la UC, siendo auxiliada por registros acumuladores para guardar transitoriamente datos y resultados.

Estos registros, son ubicaciones de memoria de alta velocidad que estn directamente integradas en la CPU y se utilizan para almacenar datos que se estn procesando en ese momento. Se puede considerar a los registros como bloc de notas. Por ejemplo, la UC puede cargar 2 nmeros de la memoria en los registros y luego decirle a la UAL que sume los 2 nmeros (operacin aritmtica) que los compare para comprobar si son iguales (operacin lgica). La respuesta a este clculo se almacenar en otro registro antes de ser enviado a la CPU.

2.2.1. Longitud de palabra Se denomina palabra al conjunto de bits que forma un dato con los que opera la ALU y coincide, en general, con el nmero de bits de los registros del procesador. La longitud de palabra es el nmero de bits que la forman, las longitudes actuales son de 32 y 64 bits.

2.2.2. Ciclo de mquina

Cada vez que la CPU ejecuta una instruccin, realiza una serie de pasos. La serie completa de pasos se denomina ciclo de mquina. Un ciclo de mquina consta de un ciclo de instruccin y un ciclo de ejecucin. El primero recupera los datos y decodifica las instrucciones, el segundo ejecuta las microinstrucciones.



3 El ciclo de instruccin comprende los siguientes pasos:

1. Recuperacin o lectura: La UC recupera de la memoria el dato o comando a ser operado.

Ciclo de instruccin 2. Decodificacin: La UC separa (o decodifica) el comando en instrucciones que corresponden a aquellas que pertenecen al conjunto de instrucciones de la CPU.

1. Ejecutar: La Cpu ejecuta las instrucciones en orden al convertirlas a microcdigo.

Cic

lo d

e m

q

uin

a

Ciclo de ejecucin 2. Almacenar: Almacena los resultados de la instruccin, si fuera necesario.

A pesar de que el proceso es complejo, la computadora lo realiza a gran velocidad, traduciendo millones de instrucciones por segundo. De hecho, el desempeo de la CPU se mide en millones de instrucciones por segundo (MIPS). Los microprocesadores modernos se pueden medir en billones de instrucciones por segundo (BIPS).

3. Memoria principal La etapa de memorizacin en el proceso de datos, la realiza la memoria principal, central o interna. Almacena datos, instrucciones y los resultados del proceso en circuitos electrnicos chips ubicados en la placa madre.

La memoria principal (MP) almacena las instrucciones de programas que prximamente sern ejecutas en la CPU, y los datos que ellas ordenan procesar (operar); as como resultados intermedios y finales de las operaciones realizadas en la CPU.

Es decir, los datos que se procesan y el programa que se ejecuta para dicho proceso deben estar en la memoria principal. Cada programa comparte la MP con sus datos, pero las instrucciones estn en una zona y los datos en otra. Esta informacin queda almacenada temporalmente mientras se opera con ella; pudiendo luego ser reemplazada por otro programa y sus datos correspondientes.

No debe confundirse la memoria principal, que es interna y est colocada en la placa madre, con la memoria de almacenamiento masivo (discos rgidos, disquetes, CD-ROM) que son externos. Tienen gran relacin puesto que todos los programas y datos son almacenados en los discos y pasan despus a la memoria donde sern manipulados adecuadamente por la CPU, tal como se ve en la siguiente figura:

Esquema de carga de un programa a partir de su ubicacin en disco

3.1. Tipos de memoria

Existen dos tipos de memoria definidas en funcin de su capacidad de mantenimiento de los datos. Cuando los chips de memoria retienen los datos an cuando se apaga la computadora, decimos que es una memoria no voltil. Otros chips pierden su contenido cuando se suspende el suministro de energa elctrica, este tipo de memoria se denomina voltil. En la figura siguiente se muestra la disposicin de estos chips en la placa madre:

Memoria Principal

Disco CPU Datos e

instruccionDatos e

instruccion



3

3.1.1. Memoria no voltil (ROM)

Los chips de memoria no voltil mantienen los datos aun cuando se desconecte la computadora. Los datos se colocan es los chips durante el proceso de fabricacin. Durante su uso normal, los datos de estos chips slo se leen y utilizan (no se modifican) por lo que esta se memoria se conoce tambin como memoria de slo lectura ROM (read only memory ). Especficamente, los chips que no pueden modificarse se conocen como memoria programable de slo lectura PROM (por sus siglas en ingls). Los chips PROM se utilizan generalmente en las unidades de disco duro en las impresoras. Contienen las instrucciones que hacen funcionar a los dispositivos.

Cuando una computadora se enciende necesita saber por donde empezar. Las instrucciones de inicio estn contenidas en una memoria ROM, denominada BIOS (Basic Input Oputput system Sistema Bsico de Entrada Salida). Este chip contiene la informacin necesaria para realizar determinadas tareas rutinarias de bajo nivel:

a) Arrancar el ordenador. Para hacer esto se utiliza un pequeo programa de arranque que se pasa de la ROM a la memoria principal (RAM) y desde aqu se ejecuta.

b) Ejecutar el programa de configuracin de la placa madre y sus componentes principales. Este programa se denomina SETUP y es accedido mediante algn mecanismo especial, normalmente pulsando la tecla despus del chequeo de arranque.

c) Administrar los Cdigos de las Interrupciones BIOS que son necesarias para realizar la entrada y salida de datos.

3.1.1.1. Memoria Flash

La memoria flash es un tipo especial de memoria no voltil. Se utiliza en dispositivos digitales porttiles para almacenamiento de datos. Las cmaras digitales, reproductores MP3, dispositivos de almacenamiento llaveros USB y consolas de juego, utilizan este tipo de memoria.

3.1.2. Memoria voltil (RAM)

La memoria voltil requiere de energa elctrica para almacenar los datos. La memoria voltil de una computadora se conoce como memoria de acceso aleatorio RAM (Random Access Memory).

Cuando se habla de la memoria de una computadora, en relacin a una microcomputadora, se refiere a la RAM. La RAM almacena los programas y los datos mientras se estn ejecutando.

La RAM est especialmente diseada para ser inmediatamente accesible para la CPU o para los programas. La palabra aleatorio en la RAM implica que cualquier parte de ella puede ser accesible en cualquier momento. Esto contribuye a que la RAM sea muy rpida.

Una computadora no necesita buscar en toda su memoria cada vez que tiene que encontrar datos, debido a que la CPU utiliza una direccin de memoria para almacenar y recuperar cada fragmento de datos.



3 Una direccin de memoria es un nmero que indica una ubicacin en los chips de memoria. Las direcciones de memoria empiezan en cero y se incrementan hasta llegar a uno menos que la cantidad de bytes de la memoria que tiene la computadora.

Se utiliza memoria RAM no slo asociada a la CPU. Las placas de video y de sonido modernas tienen su propia RAM integrada.

3.1.3. Caractersticas de la memoria principal La memoria principal almacena bits (unos y ceros) en celdas independientes entre s,

que contienen un byte (8 bits) de informacin.

Cada celda se localiza en el conjunto mediante un nmero binario identificatorio, que constituye su direccin indicacin de su posicin en ese conjunto. Este nmero no se puede alterar, pues est establecido circuitalmente.

Por lo tanto, con relacin a cada celda se tiene dos nmeros binarios:

Un nmero fijo, la direccin, que presentado en los circuitos de la memoria permite acceder a una celda; y

Un nmero de ocho bits, que es el contenido informativo de esa celda, o sea la combinacin de unos y ceros almacenada en ella. Este nmero puede cambiarse si la memoria es alterable.

Generalmente se representan las celdas de la memoria, como un conjunto de casilleros verticales siendo sus direcciones nmeros binarios consecutivos. Para no visualizar largas cadenas de unos y ceros, estos nmeros suelen mostrarse en su equivalente hexadecimal.

0205H 0 0 1 1 1 1 0 1

0206H 1 1 0 1 0 1 1 1

0207H 0 1 1 0 0 0 0 1

0208H 0 0 0 1 0 1 0 1

0209H 0 1 0 1 1 0 1 0

020AH 1 0 1 1 0 0 1 1

020BH 1 1 1 0 0 1 0 0

Puede ayudar a entender mejor el concepto de byte almacenado, si se piensa que en cada casillero existen llaves del tipo si-no, como las comunes de pared para encender la luz, cada una para retener un uno estar en la posicin de prendido (si) o para representar el cero, estar en apagado (no). Entonces, para una celda dada, como la que contiene 01100001, la combinacin de unos y ceros que estn formando las ocho llaves es la informacin contenida en dicha celda. La informacin que almacena cada grupo de 8 llaves puede referirse a instrucciones o datos.

3.1.4. Palabra de memoria (word) En cada direccin de memoria (celda) slo se pueden leer o escribir 8 bits por vez, sin

posibilidad de operar menor cantidad de bits.

Cuando los datos e instrucciones ocupen ms de un byte, se almacenan fragmentados en varios bytes, los cuales deben estar contenidos en celdas consecutivas de memoria.

Ejemplo, en la figura de la derecha se destaca la direccin 0000 0010 0000 0111 = 0207H, en la cual est almacenado el byte 01100001 equivalente al hexadecimal 61H.



3 En una operacin de lectura o escritura de MP se puede acceder a varias celdas

consecutivas. El nmero mximo de stas constituye una palabra de memoria. Dicho nmero puede ser 1, 2, 4 8 bytes, dependiendo de la cantidad de lneas de datos que salen del procesador hacia la memoria.

3.1.5. Direccionamiento de memoria Para acceder a los datos de la memoria o grabar datos en ellas la CPU debe direccionar la MP. La accin de direccionar o direccionamiento consiste en colocar en las lneas de direcciones del bus que llegan a la MP, la direccin de la celda a la que se quiere acceder, para leerla o escribirla.

Tiempo de acceso: es el que transcurre entre que se direcciona una celda de memoria, hasta que aparece en el bus de datos el contenido de la celda direccionada. Este tiempo se mide en nanosegundos, esta unidad de tiempo significa una mil millonsima de segundo. Los procesadores internamente realizan operaciones en contados nanosegundos.

3.1.6. Tamao de memoria

La cantidad de memoria RAM en una computadora puede influir sobre el rendimiento de la misma. Ms RAM significa que la computadora puede ejecutar programas ms grandes y potentes.

Tambin ms RAM puede hacer que la computadora sea ms veloz. Para ejecutar un programa no hace falta que el programa entero est en la RAM, sin embargo mientras ms grande sea la porcin del programa que entre en la memoria, ms rpida ser la ejecucin del programa. Por qu? Si el tamao de la memoria es insuficiente para almacenar el programa y los datos necesarios, la CPU utilizar espacios del disco rgido como extensin de la memoria principal. Esto significa que la CPU deber hacer permanentes intercambios trayendo y llevando datos de la memoria a la unidad de disco duro. Esta tcnica de administracin de memoria se denomina memoria virtual y, si bien es efectiva para administrar una cantidad limitada de memoria, ralentiza el desempeo del sistema porque el disco duro es mucho ms lento que la RAM, por lo tanto, los accesos a la unidad de disco harn que el procesamiento se realice en una mayor cantidad de tiempo.

4. El reloj interno de la computadora

Todas las computadoras tienen un reloj del sistema, controlado por un cristal de cuarzo. Cuando se le aplica electricidad, las molculas en el cristal vibran millones de veces por segundo, con una velocidad que nunca cambia. La computadora utiliza las vibraciones del cuarzo del reloj para marcar el tiempo de sus operaciones de procesamiento.

Las primeras PC operaban a 4,77 megahertz. El Hertz (Hz) es una medida de ciclos por segundo. Megahertz (MHz) significa millones de ciclos por segundo. Gigahertz (GHz) significa miles de millones de ciclos por segundo.

Ejemplo: Para solicitar un byte de datos, la CPU enva una direccin de memoria a la RAM mediante el bus de direcciones. Los datos contenidos en esa direccin se colocan en el bus de datos a disposicin de la CPU.

Por favor, enviar los datos de la posicin 100111011000100111110110011

1

OK, aqu vienen 01001100 2



3 La velocidad de operacin de la computadora est ligada a la velocidad de reloj del sistema. Un ciclo de reloj es el tiempo en que un transistor se apaga y se vuelve a encender. Un procesador puede ejecutar una instruccin dentro de un nmero determinado de ciclos de reloj. A medida que aumenta la velocidad del reloj del sistema, tambin aumenta la cantidad de instrucciones que puede realizar cada segundo.

Los procesadores modernos operan a velocidades mayores a 1 Ghz.

5. El bus El bus es una ruta entre los componentes de una computadora. Existen dos buses principales en una computadora: el bus interno (o del sistema) y el bus externo (o de expansin). El bus del sistema reside en la placa madre y conecta a la CPU con los otros dispositivos conectados a la placa madre. Un bus de expansin conecta dispositivos externos, como el teclado, el mouse, mdem, impresora y otros, con la CPU. Los cables de las unidades de disco y otros dispositivos internos se conectan al bus. El bus del sistema tiene dos partes: el bus de datos y el bus de direcciones.

5.1. El bus de datos El bus de datos es una ruta elctrica que conecta a la CPU, memoria y los otros dispositivos de hardware en la placa madre. Este bus, en realidad, es un conjunto de cables paralelos. El nmero de cables del bus de datos afecta la velocidad con la que pueden viajar los datos entre los componentes de hardware. Cada cable puede transportar un bit de datos por vez, un bus de 8 cables transportar 8 bits, un byte, por vez. Un bus de 16 bits, puede transferir 2 bytes, uno de 32, 4 bytes y un bus de 64 bits puede transferir 8 bytes por vez.

Al igual que el procesador, la velocidad del bus se mide en megahertz (MHz). Mientras ms rpida sea la velocidad del bus, ms rpido podr transferir datos entre los componentes de una computadora. La mayora de las PC actuales tienen una velocidad de bus de 100 133 MHz, pero las velocidades de 800 MHz se estn volviendo comunes.

5.2. El bus de direcciones

El bus de direcciones es un conjunto de cables, similar al bus de datos que slo conecta a la CPU y la RAM y transporta nicamente direcciones de memoria. La disposicin de los buses en la motherboard se ve en la figura siguiente:

5.3. Estndares de bus

Entre las tecnologas de bus comunes, se incluyen:

El bus arquitectura estndar de la industria ISA (Industry Standard Architecture), es un bus de 16 bits. Fue por mucho tiempo el estndar industrial de facto y an se utiliza en algunas computadoras para conectar dispositivos ms lento a la CPU (por ejemplo, un mdem).

El bus del sistema incluye un bus de datos y un bus de direcciones. El bus de direcciones conecta la CPU con la RAM. El bus de datos conecta la CPU con la RAM y con todos los dispositivos de almacenamiento, de entrada/salida y de comunicaciones que estn conectados con la placa madre.



3 Tecnologa Bus Local, esta se desarroll para conectar dispositivos ms rpidos a la

CPU. Un bus local es un sistema interno que se extiende entre los componentes de la placa madre. Actualmente, la mayora de los sistemas utiliza algn tipo de tecnologa de bus local.

El bus de interconexin de componentes perifricos PCI (Peripheral Component Interconected) es un tipo de bus local diseado por Intel para facilitar la integracin de nuevos tipos de datos, por ejemplo, de audio, video e imgenes.

El bus puerto de aceleracin de grficos AGP (Accelerated Graphics Port) incorpora una arquitectura especial que le permite a la tarjeta de video tener acceso a la RAM del sistema directamente, incrementando notoriamente la velocidad del desempeo grfico. El estndar AGP permiti el desarrollo de muchos tipos de tarjetas aceleradoras de video que soportan imgenes en 3D y de video de movimiento pleno.

El bus serial universal USB (Universal Serial Bus), es un bus relativamente nuevo que se encuentra en todas las computadoras modernas. A diferencia del PCI y del AGP, el USB es un bus de intercambio rpido, lo que significa que un usuario puede conectar y desconectar un dispositivo USB sin afectar a la computadora. USB soporta hasta 127 dispositivos, ya sea conectados en cadenas en un concentrador.

Los puertos IEEE 1394 (FireWire) se utilizan para conectar dispositivos de de video, por ejemplo, cmaras y cmaras de video.

El bus PC Card se utiliza slo en las computadoras laptop. Al igual que USB, el bus PC Card es de intercambio rpido. Se utilizan para tarjetas WiFi, tarjetas de red, mdems externo, examinadores de huellas dactilares y otros sistemas biomtricos de seguridad.

Tradicionalmente, el desempeo de los buses se meda por la cantidad de bits que podan transferir a la vez. Segn este criterio, los buses de 64 bits seran los ms rpidos del mercado. Sin embargo, en la actualidad, los buses se evalan de acuerdo con sus velocidades de transferencia de datos (la cantidad de datos que pueden transferir en un segundo), este desempeo se mide en MHz o GHz. A continuacin, la tabla muestra valores de desempeo de los buses comunes:

Tipo de bus Ancho (en bits) Velocidad de transferencia

Capacidad de intercambio

AGP 8 32 2,1 GHz No

FireWire 32 400 MHz Si

ISA 16 8,33 MHz No

Pc Card 32 33 MHz Si

PCI 32 33 MHz No

USB 2.0 32 480 MHz Si

6. Memoria cach: Mover los datos entre la RAM y los registros de la CPU es una de las operaciones que consume ms tiempo para la CPU, debido a que la RAM es ms lenta que la CPU. Para solucionar este problema se incluye una cach de memoria en la CPU. Una memoria cach es similar a la RAM pero mucho ms rpida.

Las cachs actuales suelen estar integradas dentro del propio chip del microprocesador, de modo que se fabrican juntos ncleo de ejecucin y memoria. Esta tcnica permite alcanzar velocidades de acceso muy elevadas. El problema es que el tamao que puede tener un chip viene limitado por el proceso de fabricacin, de modo que la cantidad de memoria que se puede integrar es muy limitada. Por ello, las cachs son siempre muy rpidas, y muy pequeas.



3 El funcionamiento de las cachs se basa en el principio de la cercana de referencias. Este principio establece que, si se accede a una determinada direccin de memoria, es muy probable que se pretenda acceder tambin a las direcciones contiguas. Siguiendo esta idea, cuando se lee una direccin de la memoria principal, se trae a la cach las direcciones cercanas, de modo que si posteriormente se pretende leer tambin estas direcciones, stas ya estn en la cach, y pueden ser ledas mucho ms rpidamente.

Hay que distinguir entre dos tipos de cach, la de primer nivel y la de segundo nivel. La de primer nivel es la que se encuentra integrada dentro del chip del microprocesador, es ms pequea y suele estar dividida en dos partes, una para instrucciones, y otra para datos. La de segundo nivel se integra a la placa madre, generalmente, tiene mayor capacidad y es un poco ms lenta que la de nivel 1 y no est dividida.

La memoria cach se usa en varias partes de la computadora. La mayora de las unidades de disco y tarjetas de red tienen un cach para acelerar el acceso de datos.

Resumiendo, las memorias cach aceleran la adquisicin de datos en la mayora de los casos. Cuando la CPU necesita cargar un dato hace lo siguiente:

1) Lo busca en la memoria cach de nivel 1.

2) Si all no se encuentra lo busca en la memoria cach de nivel 2.

3) Si en esta tampoco est lo sacar de la memoria principal.

Aunque este esquema resulte muy complicado (adems requiere mecanismos especializados para decidir qu datos se cargan y descargan de las memorias cach) es muy efectivo.

En el grfico siguiente se visualiza la operacin de la CPU con un cach de nivel 2

Actualmente, algunos procesadores incluyen una cach de nivel 3, con un chip ubicado en la placa madre.

Las cachs de nivel 1, 2 y 3, aceleran el trabajo de la CPU, aunque funcionan de forma diferente. La cach de nivel 1 conserva instrucciones que se han ejecutado recientemente. La cach de nivel 2 almacena las instrucciones que probablemente se utilizarn a continuacin. El cach de nivel 3 contiene muchas de las instrucciones posibles de ser requeridas.



3 COMPOSICION BSICA DE UNA COMPUTADORA

Se describirn los componentes de procesamiento contenidos en el hardware de una computadora tipo PC, para facilitar la comprensin de los conceptos.

A simple vista lo que vemos de una computadora son tres grandes partes: teclado, monitor y unidad central o "gabinete". Tanto el teclado como el monitor forman parte de los perifricos de la computadora, siendo la unidad central la parte principal de la computadora. Existen tres posibles configuraciones diferentes de computadoras: torre, minitorre y sobremesa.

La eleccin del tipo de gabinete depender del nmero y tipo de componentes que se deseen incluir. Independientemente de su formato, en el interior de la PC observaremos los siguientes elementos: Placa base: Contiene la circuitera bsica del ordenador: microprocesador, memoria, ranuras de expansin, controladores de dispositivos, etc. Dispositivos internos: Fundamentalmente son de dos tipos: a) Dispositivos de almacenamiento masivo de datos (disco, disquetera, CD-ROM. etc.). b) Tarjetas auxiliares (tarjeta de vdeo, tarjeta de sonido, etc.). Fuente de alimentacin: Suministra la corriente elctrica adecuada a los componentes internos de la computadora. Tiene un tamao considerable y suele ir alojada en la parte trasera de la caja. Adems necesita de uno o varios ventiladores para disipar el calor generado. Esos ventiladores son los que generan el ruido caracterstico de las computadoras actuales.

Fuente de alimentacin

Grabadora CD

Lectora CD

Placa madre

Disquetera

Disco duro



3 Elementos de la placa madre Como ya se ha dicho, la placa madre es centro neurlgico de la computadora. En ella se incluye el microprocesador, que es el ncleo del sistema y el encargado de realizar la mayora de las operaciones importantes. Adems del microprocesador se incluyen los elementos necesarios para que ste pueda realizar su trabajo. Entre los ms importantes tenemos los siguientes:

Zcalos de memoria principal (RAM) Ranuras de expansin o ampliacin Lneas o buses de comunicacin Circuitos controladores de dispositivos Chipset o conjunto de chips para el control y sincronizacin Batera o pila Jumpers o puentes de configuracin ROM-BIOS, o conjunto bsico de instrucciones de entrada/salida

Hay diferentes tipos de placas base, pero actualmente todas incluyen los elementos mencionados. La distribucin exacta de los elementos depende del modelo concreto de placa base y del tipo de componentes que soporte. Por ejemplo, en algunas el procesador va alojado en un zcalo alargado puesto que el modelo elegido es un Pentium II que tiene forma de cartucho y se inserta de manera perpendicular. Sin embargo otras placas base no soportan este modelo y tienen un zcalo cuadrado en la que se alojan otro tipo de microprocesadores.

Fotografa de una placa madre

1. EL MICROPROCESADOR O CPU

Es el encargado de ejecutar los programas y procesar los datos introducidos por el usuario. A este componente tambin se le denomina CPU (Central Processing Unit) o Unidad Central de Proceso.

Ejemplo de microprocesador: Intel Pentium III



3 1.1. Elementos principales del microprocesador

Hay muchos tipos de rnicroprocesadores pero una CPU tpica consta, entre otros, de los elementos que se aprecian en la figura siguiente, donde el generador de pulsos de reloj suele alojarse en el chipset externo de la placa base.

a) Los registros

Como hemos visto anteriormente, toda la informacin que manipula la CPU se coloca en estos registros antes de ejecutar las instrucciones por lo que tiene que existir una actualizacin continua entre la memoria principal y estas celdillas.

El nmero, tipo y uso de los registros, as como las letras o siglas que los representan, vara de un procesador a otro, pero algunos se encuentran prcticamente en todos (por ejemplo el acumulador). Los tipos de registros ms comunes son:

o El denominado registro de memoria (RM) en el que se depositan los datos a leer o escribir en la memoria principal.

o El registro de direccin de memoria (DM) que almacena la posicin de memoria que se quiere leer o escribir.

o El acumulador (AX) que almacena los resultados de las operaciones realizadas. o Los registros de uso general (BX, CX, DX). o El puntero de instrucciones (IP) que sirve para indicarle a la UC qu operacin es la

siguiente a realizar. o El registro con los indicadores de estado de la mquina, tambin denominados

banderas o flags (acarreo, desbordamiento, etc.)

b) Las memorias cach de nivel 1 y 2

No son realmente necesarias para la ejecucin de los programas, aunque si influyen mucho en el rendimiento general, es decir, en la velocidad. Se ha demostrado que si guardamos en una pequea memoria dentro del microprocesador, donde los accesos son muy rpidos, los

Cach de Nivel 2

UC Unidad de Control

RI Decodificador Secuenciador

Cach de nivel 1

ALU

Coprocesador matemtico

RM DM

Registros

MEMORIA PRINCIPAL

Datos e instrucciones Direcciones

Generador de pulsos de reloj (Mhz)



3 datos e instrucciones que se prev sern utilizados a continuacin, disminuir drsticamente el nmero de accesos a la memoria principal.

Por ejemplo, la instruccin 3+2-4 est compuesta por 2 instrucciones bsicas que son las que ejecuta la CPU: la primera es 3+2, y la segunda restarle 4 al resultado anterior. Pues bien, aunque la CPU en la 1 instruccin slo manejara la instruccin de suma y los datos 3 y 2, al disponer de memoria cach cargar la instruccin completa en dicha memoria de forma que cuando pase a ejecutar la resta no tenga que viajar a la memoria principal. Esto har que los programas se ejecuten ms rpidamente.

c) La unidad de control (UC)

Controla y sincroniza el funcionamiento de los componentes internos del microprocesador y la comunicacin con determinados componentes del exterior corno la memoria principal. Para el sincronismo enva seales de control a estos componentes y recibe seales de estado para conocer las etapas o situaciones de funcionamiento de los mismos.

d) La unidad aritmtico-lgica (ALU)

Como ya se explic antes, este componente efecta operaciones aritmticas elementales (sumas y restas) y operaciones lgicas (comparaciones, rotaciones binarias, etc.). Los datos que manejan, por ejemplo los operandos de una suma se almacenan en los registros, dejando los resultados tambin en algn registro.

Las operaciones que realiza son sencillas. Por ejemplo, las aritmticas se limitan a sumas de nmeros enteros; las restas se hacen sumando nmeros negativos y otras operaciones ms complicadas, como la multiplicacin o divisin, se hacen ejecutando sucesivas sumas y restas. Para resolver este problema en la mayora de procesadores actuales se incluye internamente un coprocesador matemtico que es capaz de realizar complicados clculos con nmeros en coma flotante.

e) El coprocesador matemtico

Con este componente ocurre lo mismo que con las memorias cach; no es necesario pero si muy recomendable ya que acelera mucho la ejecucin de los programas, fundamentalmente aquellos que realizan clculos complejos como las aplicaciones basadas en grficos.

Si en los primeros modelos de procesadores no formaba parte de ste, en prcticamente todos los microprocesadores actuales est integrado este elemento.

1.1.1. Ciclo de ejecucin de una instruccin en la CPU

Para que el microprocesador consiga funcionar correctamente deben de sincronizarse todos los elementos citados en el punto anterior. Por ejemplo y de forma muy general, los pasos que tendran que darse para ejecutar una instruccin de suma como 2 + 3, seran los siguientes:

1) Carga: En primer lugar debe colocarse la instruccin a ejecutar en el RI (registro de instruccin) de la UC (unidad de control). Para realizar esta carga se localizar la instruccin en:

a) la memoria cach de nivel 1, si no est aqu se buscar en b) la memoria cach de nivel 2 y si tampoco est aqu se encontrar en c) la memoria principal

2) Ejecucin: Una vez cargada la instruccin en el RI es interpretada por el decodificador de la UC que obtendr la serie de pasos que hay que dar. Dichos pasos sern correctamente activados por el secuenciador, siempre al ritmo marcado por el generador de pulsos del reloj. En cada paso la UC enva las seales de control adecuadas a los componentes involucrados. En nuestro ejemplo: a) Se envan seales de control para leer los operandos (el nmero 2 y el nmero 3) y

cargarlos en los registros internos. Los datos tambin pueden estar localizados en la memoria cach de primer o segundo nivel, o en la memoria principal.



3 b) Cuando todos los datos estn ya cargados en los registros se enva otra seal de

control a la ALU (unidad aritmtico-lgica) para que realice la operacin de suma, dejando el resultado en otro registro interno.

1.2. Tipos de microprocesadores

Todo microprocesador entiende un determinado conjunto de instrucciones que son especficas de cada modelo. A grandes rasgos se puede hacer una clasificacin general de los procesadores atendiendo al tipo de instrucciones que manejan:

a) Procesadores CISC (Complex Instruction Set Computer Computacin de conjunto complejo de instrucciones): Procesador con un conjunto de instrucciones complejo. Cada procesador contiene un gran nmero de instrucciones que realizan operaciones completas. Por este motivo el decodificador y el secuenciador tienen un carcter complejo: manipulan multitud de instrucciones, algunas con muchas etapas diferentes.

b) RISC (Reduced Instruction Set Computer Computacin de conjunto reducido de instrucciones): Procesador con un conjunto reducido de instrucciones que, adems, son de carcter bsico. Cuando necesita realizar tareas complejas las ejecuta mediante un conjunto de operaciones bsicas. Como el decodificador y el secuenciador se simplifican y en realidad las instrucciones complejas se utilizan muy poco, este tipo de procesador es ms rpido y ms potente que el CISC.

En el grupo de procesadores CISC estn todos aquellos de carcter general, fundamentalmente los dedicados al uso domstico (PCs y Macintosh), quedando los ms avanzados y especializados (estaciones de trabajo, servidores y mainframes) para el grupo de ordenadores RISC.

1.3. Microprocesadores de PC

Centrndonos nicamente en el entorno de PCs, partimos del primer microprocesador: el Intel 8086, inicio de la familia se denomina x86 y se muestra a continuacin su evolucin a grandes rasgos:

Modelo CPU Fecha de aparicin

Bus de Datos

Rango de velocidades

Longitud

palabra

Coproc. Matem.

8086 / 8088 (XT) 1978 / 79 16 4,77 a 8 Mhz. 16 bits NO

286(AT) 1982 16 8 a 20 Mhz. 16 bits NO

386 DX 1985 32 20 a 33 Mhz. 32 bits NO

386 SX 1988 32 16 a 20 Mhz. 32 bits NO

486 DX 1989 32 20 a 50 Mhz. 32 bits SI

486 SX 1991 32 16 a 25 Mhz. 32 bits NO

486 DX2 - DX4 1992 32 50 a 120 Mhz. 32 bits SI

Pentium 1993 64 66 a 200 Mhz. 32 bits SI

Pentium Pro 1996 64 166 a 200 Mhz. 32 bits SI

Pentium MMX 1997 64 166 a 233 Mhz. 32 bits SI

Pentium II 1997 64 233 a 450 Mhz. 32 bits SI

Pentium II Celeron

1998 64 266 a 333 Mhz. 32 bits SI

Pentium II Xeon 1999 64 400 a 450 Mhz. 32 bits SI

Pentium III 1999 64 450 Mhz a 1 GHz. 32 bits SI

Pentium IV 2001 64 1,3 GHz. a 1,5 GHz. 32 bits SI



3 Adems de Intel, empresa pionera en la fabricacin de microprocesadores para PC, hay otros fabricantes (fundamentalmente AMD) que han sacado al mercado microprocesadores compatibles que pueden obtener rendimientos similares a los equivalentes Intel.

En el entorno de computadoras Macintosh (Mac) los procesadores son fabricados por Motorola y en la actualidad sus modelos de altas prestaciones son los PowerPC que obtienen un mayor rendimiento (tienen una arquitectura RISC ms avanzada), a igualdad de velocidad de reloj, que los ordenadores PC.

Aunque el conocimiento de lo expresado respecto a los microprocesadores nos induzca a pensar que sta es la parte que ms influye en la velocidad de una computadora, hay que tener presente que el rendimiento final de una computadora no slo depende del modelo y velocidad del microprocesador. Elementos como el tipo de placa, el chipset empleado, el tipo de memoria, etc. pueden llegar a ser tan importantes como la CPU.

1.4. Elementos auxiliares de la CPU. El chipset

Despus del microprocesador, esta es una de las partes que ms puede influir en el rendimiento general de una computadora. Esto es debido a que su funcin es la de controlar el trfico de informacin que existe entre los distintos elementos de la placa base, incluidos las interfaces con el exterior (bus de perifricos, puertos paralelo y serie, etc.) y, por tanto, determina la velocidad que puede alcanzarse. De nada servira tener un procesador muy rpido y mucha cantidad de memoria principal si la comunicacin entre los distintos componentes no es buena.

De los elementos que suelen integrarse en el conjunto de chips, destacamos los siguientes:

El reloj o generador de pulsos El controlador de interrupciones programable (PIC) El controlador de discos (normalmente del tipo IDE/EIDE) El controlador de memoria principal El controlador del acceso directo a memoria (DMA) Interfaces con los buses de expansin (PCI, ISA, AGP, etc.) El controlador para el teclado y el ratn

1.4.1. El reloj o generador de pulsos

Como se ha visto, su funcin es muy importante puesto que marca el ritmo con el que se ejecutan todas las operaciones del microprocesador con el objetivo de sincronizar su funcionamiento. De hecho, cuando se dice que la velocidad de una computadora es de X Mhz (Megahercios o millones de ciclos por segundo), estamos haciendo referencia a la velocidad marcada por este reloj. Este circuito, aparte de marcar el ritmo interno de la CPU, sincroniza el funcionamiento del microprocesador con otros componentes de la placa base.

1.4.2. Controlador de interrupciones

En el funcionamiento de la CPU son de gran importancia las interrupciones hardware que son seales de estado que comunican al microprocesador que debe abandonar temporalmente la operacin que est efectuando en ese momento para ejecutar otra (por ejemplo, leer el cdigo de una tecla pulsada); una vez ejecutada la operacin asociada a la interrupcin se contina el trabajo en el punto en que se dej.

Peticiones de interrupcin hardware generadas desde varios perifricos

PIC

Controlador de Disco Duro (IRQ14)

Teclado (IRQ1)

Controlador de sonido (IRQ5)

Tarjeta de red (IRQ3)

CPU



3

El trabajo de este circuito controlador, denominado PIC Controlador de interrupciones Programable, consiste en recibir seales de peticin de interrupcin (IRQ) desde los dispositivos (teclado, tarjeta de sonido, puerto paralelo, puerto serie, etc.) e informar de ello a la CPU para que sean atendidos (ver figura 1.8).

Por tanto, cada dispositivo que necesite utilizar la CPU usar un nmero de IRQ que lo identifique; por ejemplo, en los ordenadores PC los IRQ ms importantes son los siguientes:

Nmero IRQ Utilizacin

0 Temporizador

1 Teclado

3 Puerto serie COM2

4 Puerto serie COM1

5 Puerto paralelo LPT2

6 Controlador de la unidad de disquetes

7 Puerto paralelo LPT1

14 Controlador de disco duro

Los nmeros de IRQ pueden ser asignados manualmente a otros dispositivos que no estn en la lista. Por ejemplo, si instalo una tarjeta de sonido en el ordenador tengo que asociarle un nmero de IRQ que no est siendo utilizado por otro perifrico; como el LPT2 no suele utilizarse puedo asignarle el nmero 5.

1.4.3. Acceso directo a memoria (DMA)

Si todos los datos que entran o salen de la memoria tuviesen que hacerlo a travs de la CPU, el procesador tardara ms tiempo en atender a los perifricos que en ejecutar los programas. Para evitar esto se utiliza un circuito, denominado DMA (Direct Memory Access o Acceso Directo a Memoria), que facilita el traslado de datos a memoria sin necesidad de pasar por el procesador principal.

Este controlador proporciona una serie de canales para comunicar directamente la memoria con otros dispositivos como, por ejemplo, el controlador del disco duro o una tarjeta de sonido. Los dispositivos que quieran leer o escribir datos en memoria slo tienen que darle al DMA la direccin de comienzo y el tamao de los datos a transmitir y el DMA transferir automticamente la informacin sin que tenga que intervenir el microprocesador.

Esquema bsico de comunicacin sin y con DMA.

Disco CPU

Memoria Principal

Memoria Principal

CPU Disco

DMA

a) Comunicacin Disco-Memoria principal utilizando la CPU

b) Comunicacin Disco-Memoria principal utilizando un canal DMA



3

1.5. Caractersticas de los chips de memoria RAM

Actualmente, los chips de memoria RAM que constituyen la MP son del tipo DRAM (Dinamic RAM). La palabra dinmica identifica una tecnologa que en cada celda de memoria almacena un byte en ocho microscpicos capacitores. Cada capacitor guarda un uno si esta cargado elctricamente, y un cero si no lo est. En el interior del chip permanentemente deben hacerse circular corrientes para reponer la carga de los capacitores (accin de refresco), de donde proviene la denominacin de dinmica.

Los chips de memoria se presentan en diferentes tipos y se combinan de manera diferente segn el tamao y el alcance de la memoria de trabajo. Es posible realizar una ampliacin de memoria agregando ms chips en los zcalos previstos para alojarlos.

Los diferentes chips que se utilizan para la memoria de trabajo de las PC pueden ser de diferentes tipos, que a su vez se van a clasificar segn su capacidad, velocidad, tecnologa y costo.

Distintos chips de memoria:

DRAM (Dinamic Random Acces Memory) memoria dinmica de acceso aleatorio DRAM FPM (Fast Page Mode ) Modo de paginacin veloz DRAM EDO (Enhanced Data Output) Transferencia de datos mejorada SDRAM (Synchronous DRAM DRAM sincrnica) Direct RDRAM (Rambus DRAM RAM Rambus) SRAM (Static Random Access Memory RAM esttica)

1.5.1. Tipos de chips

- Memorias SIMM (Single In-Line Memory Module Mdulos Simples de memoria en Lnea) Las memorias (extrables, no soldadas) ms antiguas son las llamadas SIMM y venan en 72 y 30 pines (contactos). Para instalarlas hay que insertarlas verticalmente y luego inclinarlas para que dos aletas metlicas las abracen.

- Memorias DIMM: tienen dos cortes asimtricos, desplazados del centro (uno ms cerca del extremo).

- Memorias DDR (DIMM DDR): tienen un solo corte desplazado del centro y vienen en

velocidades (a las que pueden recibir y enviar datos) de 266 (PC2100), 333 (PC2700) y

400MHz (PC3200)

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Tema3 Hardware de Procesamiento de Datos

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