Arquitectura De Una Pc

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  Arquitectura de computadoras La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de computadoras. Es…
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Arquitectura de computadoras La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de computadoras. 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. También suele definirse como la forma de seleccionar e interconectar componentes de hardware, para crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad, rendimiento y costo. La computadora recibe y envía la información a través de los periféricos, por medio de los canales. La CPU es la encargada de procesar la información que le llega a la computadora. El intercambio de información se tiene que hacer con los periféricos y la CPU. Puede considerarse que todas aquellas unidades de un sistema, exceptuando la CPU, se denomina periférico, por lo que la computadora tiene dos partes bien definidas, que son: la CPU (encargada de ejecutar programas y que también se considera compuesta por la memoria principal, la unidad aritmético lógica y launidad de control), los periféricos (que pueden ser de entrada, salida, entrada/salida, almacenamiento y comunicaciones). ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA INTERNA DE LA CPU Arquitectura de computadoras Diagrama de bloques Los bloques funcionales básicos son: la unidad de procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el procesador de Entrada - Salida. Unidad de proceso central: esta es la responsable de la interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la memoria principal se realizan a través de 2 canales funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos. Para introducir en la memoria, una instrucción especifica, la CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la instrucción que está en esa dirección. Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar la operación. Esta parte se llama código de operación de la instrucción. La información restante se utiliza para determinar la o las localidades de los datos con los cuales se va a efectuar la operación. La acción de leer una instrucción en la CPU y prepararla para su ejecución se denomina ciclo de búsqueda. Para completar una instrucción la CPU decodifica el código de operación, genera las señales de control que se necesitan para introducir los operandos requeridos y controla la ejecución de la instrucción. Por ejemplo, suponiendo que la operación especificada consiste en sumar 2 números requeridos en 2 registros de la CPU y almacenar el resultado en un tercer registro de la CPU. Para efectuar esta instrucción, la CPU identificará los 2 registros y generará las señales de control adecuados para conectar los registros a la unidad de Aritmética y Lógica (ULA). La CPU también haría que la ULA funcione como sumadora y dirija la salida hacia el tercer registro. El proceso de realización que especifica una función se denomina ciclo de ejecución. Los nombres ciclos de búsqueda y ciclos de ejecución derivan de la naturaleza cíclica de la operación de la computadora una vez que esta empieza a funcionar repite los ciclos de búsqueda y ejecución de manera continua. Para hacer referencia a cada ciclo suele utilizar el termino ciclo de maquina. Arquitectura de computadoras La CPU puede dividirse funcionalmente en 3 subunidades, la unidad de control, dedicada a los ciclos de búsqueda y ejecución, la ULA que desempeña funciones aritméticas como por ejemplo, suma y resta, de lógica por ejemplo AND, OR y un conjunto de registros dedicados al almacenamiento de datos en la CPU y a ciertas funciones de control. Registro e instrucciones de la CPU Registros Instrucciones Aritmética y Lógica Movimientos de datos Operaciones de datos en bloque Instrucciones de control de programa Instrucciones Instrucciones de Entrada-Salida La CPU contiene un conjunto de localidades de almacenamiento temporal de datos de alta velocidad llamada registro. Algunos de los registros están dedicados al control, y solo la unidad de control tiene acceso a ellos. Los registros restantes son los registros de uso general y el programador es el usuario que tiene acceso a ellos. Dentro del conjunto básico de registros de control se deben incluir a los siguientes: Contador de programa (PC). Registro de direcciones de la memoria (MAR). Registro de datos (RD). Registro de instrucciones (ER). Palabra de estado de programa (PSW). (PC): La función del PC consiste en seguir la pista de la instrucción por buscar (capturar) en el siguiente ciclo de maquina, por lo tanto contiene la dirección de la siguiente instrucción por ejecutar. El PC es modificado dentro del ciclo de búsqueda de la instrucción actual mediante la suma de una constante. El numero que se agrega al PC es la longitud de una instrucción en palabras. Por lo tanto, si una instrucción tiene una palabra de longitud se agrega 1 al PC, si una instrucción tiene dos palabras de largo se agrega 2, y así sucesivamente. Registro de direcciones de la memoria (MAR): funciona como registro de enlace entre la CPU y el canal de direcciones. Cuando se logra el acceso a la memoria la dirección es colocada en el MAR por la unidad de control y ahí permanece hasta que se completa la transacción. El numero de bit que hay en el MAR es igual al del canal de direcciones. Arquitectura de computadoras La diferencia que existe entre el PC y el MAR es que durante el ciclo de ejecución de una instrucción, el PC y el MAR sirven al mismo fin. Sin embargo, muchas de las instrucciones de la maquina hacen referencia a la memoria y operan con los datos que están en ella. Como la dirección de los datos suele ser diferente de la instrucción siguiente se necesita el MAR. Registro de datos: la función del RD consiste en proporcionar un área de almacenamiento temporal (memoria intermedia, acumulada o buffer) de datos que se intercambian entre la PCU y la memoria. Los datos pueden ser instrucciones (obtenidos en el ciclo de ejecución) o datos del operando (obtenidos en el ciclo de ejecución). Debido a su conexión directa con el canal de datos el RD contiene el mismo numero de bit que dicho canal. Registro de instrucciones (ER): es un registro que conserva el código de operación de la instrucción en todo el ciclo de la maquina. El código es empleado por la unidad de control de la CPU para generar las señales apropiadas que controla le ejecución de la instrucción. La longitud del ER es la longitud en bit del código de operación. Palabra de estado de programa (PSW): la palabra de estado o condición de programa almacena información pertinente sobre el programa que este ejecutándose. Por ejemplo al completarse una función de la unidad aritmética lógica se modifica un conjunto de bit llamados códigos (o señales de condición). Estos bit especifican si el resultado de una operación aritmética fue 0 o negativo o si el resultado se desbordó. El programa puede verificar estos bit en las instrucciones siguientes cambiar en forma condicional su flujo de control según su valor. Además el PSW contiene bit que hacen posible que la computadora responda a solicitudes de servicio asincrónicas generadas por dispositivos de Entrada-Salida, o condiciones de error interno. Estas señales se denominan interrupciones. Los registros restantes que se pueden encontrar en un microprocesador son de uso general. Estos se utilizan para almacenar información en forma temporal. También retienen operandos que participan en operaciones de la ULA. Algunas veces el conjunto de instrucciones de la computadora y el esquema de direccionamiento de la arquitectura restringe el uso de alguno de estos registros. Si bien en todas las maquinas la información contenida en el registro puede manipularse como datos ordinarios durante la ejecución de algunas instrucciones los datos se utilizan en forma explícita para decidir una dirección de la memoria. La ventaja de usar registros para retener datos de operaciones es la velocidad. Tipo de instrucciones Las instrucciones pueden clasificarse en 5 categorías: Instrucciones de aritmética y lógica. Instrucciones de movimientos de datos. Operaciones de datos en bloques. Arquitectura de computadoras Instrucciones de control del programa. Instrucciones de Entrada - Salida. Instrucciones de Aritmética y Lógica: Entre ellas se encuentran operaciones binarias, las cuales requieren dos operandos y producen un resultado único. La suma, la resta, la multiplicación y división, son operaciones standard en la mayor parte de las maquinas con excepción de algunas mini-computadoras y microprocesadores. Las operaciones de lógica incluida en el conjunto de instrucciones son las operaciones AND, NAND, NOR, XAND, XOR. También dentro de las instrucciones de aritmética y lógica se encuentran las operaciones de desplazamiento y las de rotación. Instrucciones de movimientos de datos: Esta instrucción da por resultados la copia de datos desde una localidad de operando a otra; además del código de operación, estas instrucciones requieren información que identifique los operandos fuentes y destinos. En una computadora de uso general, los datos se pueden mover de: Registro a registro. Registro a memoria. Memoria a registro. Memoria a memoria. Operaciones de datos en bloques: Son aquellas que se efectúan con un conjunto de operandos y no con un solo operando. También dentro de esta instrucción se encuentra la de control del programa. Esto hace posible que un programa se adapte a la secuencia inherente al ciclo de maquina de la computadora. En otras palabras, se pueden pasar por alto secciones de instrucciones como resultado de la activación de un código de condiciones o como resultado directo del diseño del programa. Instrucciones de control del programa Instrucciones de Entrada - salida: Desde el punto de vista de la programación para el acceso a la memoria o a un periférico simplemente se requiere el mismo conjunto de instrucciones. Estos sistemas se denominan sistemas de Entrada - Salida mapeados por memoria. La programación de un dispositivo en estos sistemas requiere el conocimiento de este dispositivo y sus características, aunque no se necesitan instrucciones especiales. El dispositivo se caracteriza como un conjunto de localidades de la memoria que se dividen en dos subcategorias: un conjunto de registro de estado de control y un registro de información. Arquitectura de computadoras Registro de estado y control. Estos suelen contener información acerca del estado inactivo, ocupado, etc. En estos registros también se almacena información de control, como por ejemplo el tipo de paridad y la velocidad de transmisión de los datos. La información contenida en los registros de estado y control se utiliza principalmente para proporcionar una imagen global del hardware cuando este en el programa Registro de información: estos constituyen una memoria intermedia para la información que se transfiere entre la CPU y el periférico. En el caso de un dispositivo se transfieren datos sobre la base de carácter por carácter y suele haber solo dos registros. Uno que retiene datos de la CPU al dispositivo y otro que utilice datos del dispositivo a la CPU. Si la Entrada - Salida programada se realiza en un dispositivo unidireccional (solo transmite o solo recibe) entonces únicamente se necesitara un registro. Memoria Los grandes sistemas de computación suelen dar servicio a grandes cantidades de usuarios. Desde el punto de vista operativo la memoria es una de los principales elementos que componen nuestros sistemas. Un sistema operativo es un conjunto de programas que hace posible que el usuario de un sistema de computación tenga acceso controlado a sus recursos, entre esos recursos se encuentran, la CPU, la memoria y los dispositivos de Entrada - Salida. El sistema operativo asigna tiempo a la CPU, distribuye el espacio disponible en la memoria, asigna y controla dispositivos de Entrada - Salida, para cada usuario. Estas funciones se realizan en forma transparente, es decir que el programador escribe el programa como si todo el sistema de la computadora estuviere dedicado a ese programa. Para ofrecer algunas características del sistema operativo la arquitectura de la maquina debe poseer ciertas propiedades. Para comenzar la maquina debe tener por lo menos 2 modos de operación diferentes. Una forma, se denomina modo de supervisión y el otro modo del usuario. Cuando la maquina esta en modo del supervisor, la CPU puede ejecutar todas las instrucciones de la maquina. Este es el modo de operación en el cual corren los programas de los distintos sistemas operativos lo que le da un control del sistema. Todas las peticiones de servicio de los dispositivos periféricos pasan por el sistema operativo ya que las instrucciones de Entrada - Salida, solamente pueden emitirse cuando la maquina se encuentra en modo supervisor. En el modo usuario, la CPU no puede ejecutar todo el conjunto de instrucciones (en particular no se permite la ejecución de las instrucciones de control de la maquina y de Entrada - Salida. Organización de la memoria La memoria es un condensador que si retiene corriente es 1 y si no es 0, se necesita un condensador por bit. Por ejemplo 32 Mb es igual a 32000000 bytes o sea 32000000 * 8 condensadores. + Arquitectura de computadoras Existen dos tipos de memoria: las memorias dinámicas y las memorias estáticas. Las memorias que se suelen usar en los sistemas informáticos (RAM) son dinámicas, quedando relegadas las estáticas a aplicaciones un tanto especiales como puede ser mantener datos en ellas después de haber desconectado el equipo y alimentando a estas a través de baterías. Las memorias estáticas presentan una serie de inconvenientes con respecto a las dinámicas; por ejemplo tienen una respuesta mas lenta que las dinámicas y es mas difícil su integración al necesitar mas electrónica para realizar la célula biestable que es encarga de generar el 0 o el 1 lógico correspondiente al bit. Otro problema lo constituye su mayor consumo, ya que su constitución interna es mas complicada que la de una memoria dinámica. Las memorias dinámicas son las mas generalizadas y constituyen el grueso de la RAM del ordenador. Poseen respecto a la mayoría de las memorias la ventaja de contar con una mayor velocidad, mayor capacidad de almacenamiento y un menor consumo. En contra partida, presentan el inconveniente de que precisan una electrónica especial para su utilización, la función de esta electrónica es generar el refresco de la memoria. La necesidad de los refrescos de las memorias dinámicas se debe al funcionamiento de las mismas, ya que este se basa en generar durante un tiempo la información que contiene. Transcurrido este lapso la señal que contenía la célula biestable se va perdiendo. Para que no ocurra esta perdida, es necesario que antes que transcurra el tiempo máximo que la memoria puede mantener la señal se realice una lectura del valor que tiene y se recargue la misma. Es preciso considerar que a cada bit de la memoria le corresponde un pequeño condensador al que le aplicamos una pequeña carga eléctrica y que mantienen durante un tiempo en función de la constante de descarga. Generalmente el refresco de memoria se realiza cíclicamente y cuando esta trabajando el DMA. El refresco de la memoria en modo normal esta a cargo del controlador del canal que también cumple la función de optimizar el tiempo requerido para la operación del refresco. Posiblemente, en mas de una ocasión en la computadora aparecen errores de paridad en la memoria debido a que las memorias que se están utilizando son de una velocidad inadecuada ya que las mismas se descargan antes de poder ser refrescadas. Distribución de la memoria La distribución de la memoria dentro de la computadora se suele denominar mapa de memoria y en el es posible observar en que zona se encuentran ubicados los registros y programas del sistema operativo. De acuerdo a la cantidad de bit que maneja el microprocesador es la capacidad máxima permitida que se puede direccionar en la maquina. Independientemente de esta disponibilidad de memoria el limite real de direccionamiento va a estar dado por el sistema operativo que se esta usando, por ejemplo el sistema operativo D.O.S. independientemente de la memoria instalada puede direccionar como área de trabajo 640 Kb. Dispositivos de Entrada - Salida Arquitectura de computadoras Desde el punto de vista de un sistema de computación los dispositivos de Entrada-Salida solo comprenden uno de los cuatro componentes principales de una computadora, sin embargo las ramificaciones de Entrada-Salida extienden esta simple representación y pueden tratarse en varios niveles diferentes. Las propiedades físicas y eléctricas de los dispositivos, la interfaz o controlador con que interactúa el procesador central y el apoyo de software del sistema operativo en uso. La unidad de Entrada-Salida puede contar en realidad de muchas interfaces o controladores, incluir un procesador de Entrada - Salida de uso especial pero manejado por la CPU o ambas cosas. El problema de Entrada-Salida puede restringirse en general de las otras consideraciones lógicas y eléctricas en un sistema de computación porque requiere una reconversión en una o varias de las siguientes áreas: Velocidad: velocidad de transferencia de datos Lógica: formato de los datos, codificación. Eléctrica: niveles de señales, modalidad analogica-digital y digital-analogica. Física: funciones electromecánicas, ópticas, de audio, etc. Las operaciones de Entrada-Salida casi siempre requieren un cambio de velocidad para sincronizar la CPU con el dispositivo de Entrada-Salida. Esto impone restricciones tanto al hardware como al software. Por ejemplo el periférico mas conocido, la terminal de vídeo, típicamente puede actualizarse por medio de una línea de comunicaciones en serie, a una velocidad no mayor de 960 caracteres por segundo, una impresora matricial en la que intervienen componentes electromecánicos a 2000 caracteres por segundo. Sin embargo una CPU puede procesar instrucciones cientos o miles de veces mas rápido que esto. Además debe manejar múltiples dispositivos de Entrada-Salida en forma simultanea y realizar otras funciones de calculo en lugar a esperar a que se complete cada operación de Entrada-salida. En las transacciones de Entrada-salida siempre existen operaciones entre el CPU y el periférico y un apoyo de un protocolo lógico que a menudo implica comunicaciones de transferencia de datos sincronizados (solicitud y reconocimiento). La especificación y el diseño global del dispositivo influye en el formato lógico de los datos. Además, casi toda la Entrada-salida implica un cambio fundamental en la representación eléctrica o física de la información. Dentro de la computadora los datos y señales de control acostumbran a estar en la forma de niveles de voltaje o de acuerdo a una lógica dada. La operación de Entrada-salida a menudo implica una conversión entre analógico, mecánico, magnético, de audio u otra forma para almacenamiento, transmisión o exhibición de datos. Se considera el campo de Entrada-Salida desde 3 puntos de vista principales: hardware, software y diseño. Tipos y ejemplos de dispositivos Cuatro clases principales de técnicas se aplican comúnmente en forma individual o combinada para controlar la transferencia de datos de Entrada - Salida: Arquitectura de computadoras Entrada - Salida controlada por programa: el procesador supervisa todas las transferencias de Entrada - Salida a través de la iniciación de ordenes y la verificación del estado del dispositivo. Esta técnica se emplea en aplicaciones especializadas y diagnósticos de dispositivos. La Entrada - Salida por programa utiliza la interfaz de hardware en forma mas simple pero no aprovecha eficientemente los recursos. Entrada
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