I.S.T.P “MARÍA ROSARIO ARAOZ PINTO” COMPUTACIÓN E INFORMÁTICA

GUIA1: ARQUITECTURA DE COMPUTADORES

1. Introducción a la Arquitectura de Computadores

La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema que conforma una computadora. Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso (CPU) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.

La arquitectura de una computadora explica la situación de sus componentes y permite determinar las posibilidades de un sistema informático, con una determinada configuración, pueda realizar las operaciones para las que se va a utilizar. La arquitectura básica de cualquier ordenador completo está formado por solo 5 componentes básicos: procesador, memoria RAM, disco duro, dispositivos de entrada/salida y software.

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Von Neumann describió el fundamento de todo ordenador electrónico con programas almacenados. Describía, a diferencia de como pasaba anteriormente, como podía funcionar un ordenador con sus unidades conectadas permanentemente y su funcionamiento estuviese coordinado desde la unidad de control (a efectos prácticos es la CPU). Aunque la tecnología ha avanzado mucho y aumentado la complejidad de la arquitectura inicial, la base de su funcionamiento es la misma y probablemente lo seguirá siendo durante mucho tiempo.

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Antes de entrar en los detalles de las unidades tenemos que conocer lo siguiente:

a) Registros: es el lugar donde se almacenan temporalmente los datos que están en movimiento para procesarlos. En la representación de la imagen del principio podéis ver que son los registros.

b) Unidad de proceso central (CPU)

Es la unidad encargada de controlar y gobernar todo el sistema que comprende una computadora. La CPU consiste en un circuito integrado formado por millones de transistores, que está diseñado para poder procesar datos y controlar la máquina. Como ya sabéis, es un factor clave para la potencia de la computadora. La CPU dispone de dos unidades en su interior: la unidad de control y la unidad aritmético-lógica.

La CPU es un sistema jerárquico el cual es un conjunto de sistemas interrelacionados, cada uno de los cuales se organiza de manera jerárquica, uno tras otro, hasta que alcanza el nivel más bajo de subsistema elemental. Una posible clasificación seria:

1. Nivel de Componente. Los elementos de este nivel son difusiones de impurezas tipo P y de tipo N en silicio, polisilicio cristalino y difusiones de metal que sirven para construir los transistores.

2. Nivel Electrónico. Los componentes son transistores, resistencias, condensadores y diodos construidos con las difusiones del nivel anterior. Esta tecnología de muy alta escala de integración o VLSI es la que se utiliza en la fabricación de circuitos integrados. En este nivel se construyen las puertas lógicas a partir de transistores.

3. Nivel Digital. Se describe mediante unos y ceros son las puertas lógicas, biestables y otros módulos tanto combinacionales como secuenciales. Este nivel es la aplicación del algebra booleana y las propiedades de la lógica digital.

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4. Nivel RTL. El nivel de transferencia de registros RTL será el preferido para la descripción de los computadores. Elementos típicos en este nivel de abstracción son los registros y módulos combinacionales aritméticos.

5. Nivel PMS. Este nivel es el más alto de la jerarquía. Las siglas PMS provienen del ingles Processor Memory Switch. Con elementos de jerarquía los buses, memorias, procesadores y otros módulos de alto nivel.

1) Unidad de control

La unidad de control se encarga de leer las instrucciones (de los programas almacenados en la memoria) y se encarga de enviar las ordenes a los componentes del procesador para que ejecuten las instrucciones.

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El proceso empieza cuando llega una instrucción al registro de instrucciones (llega como una cadena de bits con distintas partes, referidas a la propia instrucción y a los datos que se usarán). Posteriormente el decodificador interpreta la instrucción a realizar y como deben de actuar los componentes del procesador para llevarla a cabo. Esta acción se realiza mediante el secuenciador que envía micro-órdenes marcadas por el reloj (que genera pulsos de forma constante, se suele expresar su velocidad en gigahercios o GHz, para los procesadores actuales).

2) Unidad Aritmético Lógica (ALU)

La unidad aritmético lógica es la encargada de realizar todas las operaciones aritméticas (sumas, multiplicaciones...) y lógicas (comparaciones).MANTENIMIENTO DE EQUIPOS DE COMPUTO 5

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Esta unidad puede tener distintos diseños, el de la imagen superior muestra el diseño más básico (donde el acumulador vuelve a usarse en la operación), en la actualidad lo normal es que el acumulador no se mezcle con los registros de entrada.

El funcionamiento con el diseño que estamos analizando (el básico) comienza cuando le llega al registro de entrada un dato (una cadena de bits que representan un número), posteriormente el circuito operacional (en la imagen se representa como "ALU" y coloreado azul) y se procesa junto al contenido del acumulador y posteriormente se deposita de nuevo en el acumulador. Repitiendo esta acción se generan los cálculos. Este proceso se ve claramente en la representación que hay más abajo.

Unidad Aritmética Lógica o ALU (por su acrónimo en ingles Arithmetic Logic Unit): Es la parte de la CPU encargada de realizar las transformaciones  de los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de una serie de módulos que realizan operaciones aritméticas y lógicas. La UC se encarga de seleccionar la operación a realizar habilitando los caminos de datos entre los diversos operadores de la ALU y entre los registros internos.

Registros Internos: el almacenamiento de los resultados a la ejecución de las instrucciones en la memoria principal podría ser lento y excesivamente tendría muchos datos en el sistema de interconexión con la memoria, con lo que el rendimiento bajaría. De la misma manera también se almacenan en registros internos la configuración interna del CPU o la información durante la última operación de la ALU. Los principales registros de un CPU son:

1.    Contador de programa.- se encarga de almacenar la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

2.    Registro de Instrucción.- se almacena la instrucción capturado en memoria y la que se está ejecutando.

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3.    Registro de Estado.- compuesto por una serie de bits que informan el resultado obtenido en la última operación de la ALU.

4.    Registro Acumulador.- algunos CPU’s realizan operaciones aritméticas en un registro llamado acumulador, su función es la de almacenar los resultados de las operaciones aritméticas y lógicas.

El ciclo para ejecutar cualquier instrucción se divide en ciclo de búsqueda y ciclo de instrucción como es ilustrado en el esquema de la Figura. El primero hace que el CPU genere señales adecuadas para acceder a la memoria y leer la instrucción; el segundo es similar; la diferencia entre los dos es el código de operación de cada instrucción.

c) Memoria principal

La memoria principal en la arquitectura inicial era directamente la RAM, pero esto ha evolucionado y se han añadido memorias caché e implementado algoritmos que predicen que datos vamos a usar más frecuentemente.

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La memoria RAM es bastante sencilla, en comparación con la CPU, se podría decir que es una tabla, que contiene la dirección (o lugar) donde está cierto dato y el contenido del propio dato. La memoria dispone de un registro de direcciones

(RDM) y un registro de intercambio de memoria (RIM o registro de datos). En el registro de direcciones se almacena la dirección en la que se almacenará o leerá un dato, y en el registro de intercambio de memoria se almacena ese dato leído o que se almacenará.

Cuando hablamos de direcciones de memoria a muchos os sonará de los "punteros" de C, y es por esto que es esencial conocer la arquitectura de Von Neumann antes de aprender a programar en ciertos lenguajes que actúan a más bajo nivel.

La unidad de control contiene el registro contador de programa, que contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción, que se

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incrementa tras realizar una instrucción y así va recorriendo la memoria y ejecutando el programa.

d) Buses

Todos estos elementos se comunican entre si a través de buses, ya sea para manejar las acciones a realizar por la máquina o para mover datos. Hay tres tipos de buses.

El bus de datos perite el intercambio de datos (ya sean instrucciones o datos) con el resto de elementos de la arquitectura. Es decir, mediante el bus de datos la unidad de control recibe las instrucciones y la ALU los datos desde la memoria, al igual que también los envían por este medio.

El bus de instrucciones transmite las direcciones de memoria que van a ser usadas desde la CPU, para poder seleccionar los datos que serán usados.

El bus de control es el que transporta las ordenes generadas por la CPU para controlar los diversos procesos de la máquina.

ACTIVIDAD N° 1:

RESOLVER EL SIGUIENTE CUESTIONARIO

1. Cuáles son los elementos básicos de la arquitectura de una computadora.

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2. Que describe Von Neumann con repecto a la arquitectura de la computadora.

3. Que son los registros.4. De que está compuesta la Unidad de proceso central

(CPU). Describir cada uno de ellos.5. Cuál es la posible clasificación de la CPU6. Cuáles son los elementos de la unidad de control. Describir

cada uno de ellos.7. Cuáles son los elementos de la unidad aritmético lógica.8. Cuáles son los principales registros de la CPU. Describir

cada uno.9. Como está organizado la memoria.10. Que son los buses y cuantos tipos hay. Describir cada

uno.

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