Tema 2 – Elementos funcionales de un ordenador digital.

1. Introducción

1.1. Arquitectura de Von Neuman: La idea VN consistió en conectar permanentemente las unidades de la computadora, siendo coordinado su funcionamiento bajo un control central.
Unidades básicas: Unidad E/S, Memoria, UAL y UC

1.2. Visión genérica de cada unidad y funcionamiento del conjunto

· Unidad Central de proceso: se compone de UC, los registros y la UAL.

1. Unidad Aritmetico-Lógica: Permite realizar una serie de operaciones elementales tales como suma, resta, etc. Los datos provienen de la memoria principal o de los registros.

2. Unidad de Control: se encarga de leer, una tras otra y ayudándose del CP, las instrucciones de máquina almacenadas en la memoria principal y de generar las señales de control necesarias para que todo el computador funcione y ejecute las instrucciones leídas.

· BUSES: Caminos a través de los cuales las instrucciones y los datos circulan entre las distintas unidades del sistema.

· Memoria Principal: Unidad dividida en celdas que se identifican mediante una dirección. Cada celda está formada por un conjunto de bits que son el elemento básico de información.

· Unidad Entrada/Salida: Realiza la transferencia de información con unas unidades exteriores denominadas periféricos.

1.3. Funcionamiento

· Programa: Conjunto de instrucciones que son almacenadas secuencialmente en posiciones o direcciones sucesivas de memoria y que serán ejecutadas una tras otra.

· Funcionamiento:

1. Lectura en memoria de la nueva instrucción a ejecutar

2. Decodificación de la instrucción y cálculo de las direcciones de los operandos

3. Lectura en memoria para extraer los operandos y envío de estos a la UAL junto con las señales de control oportunas

4. Almacenamiento del resultado en la posición indicada por la instrucción y cálculo de la dirección de la instrucción siguiente

2. Unidad Central de Proceso

2.1. Lenguaje de máquina: Lenguaje de bajo nivel que se compone de una serie de instrucciones de máquina (juego de instrucciones del computador)

Propiedades:

· Realizan una única función por lo que su interpretación es sencilla

· Emplean un número fijo de operandos

· La codificación es sistemática

· Las instrucciones son autocontenidas

Tipos:

· Instrucciones de transferencia de datos

· Instrucciones de modificación de secuencia

· Instrucciones aritméticas

· Instrucciones lógicas

· Instrucciones de comparación

· Instrucciones de desplazamiento

· Instrucciones de entrada/salida

· Instrucciones de movimiento de cadenas

2.2. Unidad Aritmético-Lógica: Se encarga de tratar los datos ejecutando las operaciones requeridas de acuerdo al programa en curso, según la unidad de control vaya enviándole los datos correspondientes e indicándole que operación debe realizar mediante las señales de control.

2.2.1. Operadores: La UAL está formada por uno o un conjunto de operadores. Un operador es un circuito electrónico capaz de realizar una operación aritmética o lógica.

o Combinacionales: circuido digital diseñado para que realice una o varias operaciones. No tiene elementos de memoria. El tiempo de respuesta es la suma del retardo de las puertas lógicas que deben atravesar las señales.

o Secuenciales: Requiere varias fases para obtener el resultado, debe contar con elementos de memoria para almacenar información entre fases y con un contador entre estas.

2.2.2. Estructura de una UAL

Se compone de uno o varios operandos, de un conjunto de registros, de unos biestables de estado y, en algunos casos, de un órgano secuenciados

Registros: Suelen contar con 8-16 registros que almacenan temporalmente datos y resultados intermedios.

Biestables: Elemento de memoria que almacena un bit, suelen almacenar condiciones relativas a la última operación como Zero, Negativo, Acarreo, etc.

Existen máquinas de tres direcciones y de una dirección, estas últimas cuentan con un registro acumulador y otro temporal.

2.3. Unidad de Control:

· Unidad funcional que organiza y coordina a los restantes elementos del computador por medio de señales de control.

· Interpreta el código de operación y el modo de direccionamiento de la instrucción en curso, los valores de los biestables indicadores y de control.

· Genera todas las señales de control que gobiernan el funcionamiento de los distintos elementos del computador

1. Lectura en memoria de la nueva instrucción a ejecutar

2. Decodificación de la instrucción y cálculo de las direcciones de los operandos

3. Lectura en memoria para extraer los operandos y envío de estos a la UAL junto con las señales de control oportunas

4. Almacenamiento del resultado en la posición indicada por la instrucción y cálculo de la dirección de la instrucción siguiente

· Existen 2 metodologías para diseñar la unidad de control.

o Lógica cableada: utilización de puertas lógicas y de técnicas de diseño de sistemas combinaciones y secuenciales

o Microprogramación: almacena en una memoria las microórdenes que producen las microoperaciones que implementan las distintas instrucciones. La ejecución de una instrucción sencillamente implica leer de memoria de control las microórdenes correspondientes a ella.

3. Memoria

· Memoria principal: relacionada con la parte del ordenador que mantiene las instrucciones y los datos sobre los que se está operando.

· Memoria de almacenamiento: Otros recursos que pueden almacenar información. Ésta, debe ser transferida a la memoria principal para poder usarla.

· Almacenamiento Binario.

· Operaciones: Escritura, Lectura y refresco (sólo dinámicas)

· Componentes: Medio o soporte, transconductores y mecanismos de direccionamiento.

· Semiconductores: SRAM: basadas en biestables. DRAM: basadas en condensadores (refresco)

3.1. Niveles jerárquicos de memoria

Las CPUs se construyen con circuitos integrados muy rápidos, esto obliga disponer de memorias lo más rápidas posibles, sin embargo éstas son muy caras, por lo que se distribuyen distintos tipos de memoria de menor a mayor capacidad y de mayor a menor velocidad en distintos niveles jerárquicos. La información se deposita en niveles de a cuerdo a su volumen y a las necesidades de velocidad de recuperación de ésta.

§ Registros: picosegundos

§ Caché: 1 nanosegundo. 2 tipos, nivel 1 que se aloja dentro de la UCP y a su misma velocidad y de nivel 2, dentro o fuera del encapsulado y velocidad inferior.

§ Memoria principal: 10 nanosegundos. Semiconductores y acceso por palabra

§ Memoria secundaria de disco: acceso aleatorio por sectores. Milisegundos

§ Memoria auxiliar: Cintas, DVDs, etc. Centenas de ms.

4. Unidades de Entrada/Salida

Toda comunicación entre la CPU o la memoria principal con el exterior. 2 Tipos:

§ Periféricos: Dispositivos electrónicos que permiten la comunicación directa con el mundo exterior

§ Perifericos de memoria secundaria y auxiliar: dispositivos de almacenamiento masivo

§ Perifericos de entrada y salida de datos en modo local: impresoras, teclados, pantallas, etc.

§ Perifericos de comnicación de datos: comunicación con dispositivos remotos.

§ Interfaz: Permite la comunicación entre el periférico y la CPU o memoria central. Conjunto de circuitos y programas que se utilizan para resolver las diferencias entre el procesador y cada uno de los perféricos. Estas diferencias pueden ser por:

§ Velocidades de transmisión

§ Formato de los datos

§ Modo de operación o sincronización

4.1. Direccionamiento

Uno ordenador tiene conectados varios dispositivos por lo que se hace necesario disponer de algún mecanismo para seleccionar uno de ellos para E/S.

4.1.1. Estructura con buses separados para memoria y E/S

· El bus consta de 3 conjuntos de líneas: De direcciones, de datos y de señales de control

· Si el bus tiene n líneas, se podrán indicar 2n direcciones distintas. Cada una señala una puerta de E/S con la que se comunican el periférico y la CPU.

· La CPU selecciona un dispositivo colocando su dirección en las líneas de dirección del bus. Sólo aquel dispositivo conectado a la puerta a la que corresponda deberá responder a las ordenes que la CPU envíe a través de las señales de control.

4.1.2. Estructura con E/S mapeada en memoria

· Máquinas con bus único para memoria y E/S.

· Es la configuración usual en el caso de los microcomputadores.

· Se asigna a las puertas de E/S una zona contigua de memoria

Ventajas:

· No requiere instrucciones específicas de entrada y salida

· Se pueden usar todos los modos de direccionamiento disponibles para acceder a las posiciones de memoria.

· Permite disponer de un mapa de E/S más grande.

Inconvenientes:

· Se pierden direcciones de memoria

· Con multiprogramación, se debe recurrir a técnicas de protección de acceso a los dispositivos periféricos, que en E/S mapeada es más compleja.

4.2. Transferencia de datos

Mecanismos para realizar la transferencia de información entre los dispositivos periféricos y la CPU o la memoria principal

4.2.1. Control del tránsito de datos

· E/S controlada por programa:

· La entrada o salida de un dato sólo se logra mediante la ejecución de unas instrucciones especiales como IN o OUT.

· La unidad de control enviará al exterior la dirección del periférico afectado junto con las señales de control oportunas, y se dispondrá a enviar o recibir el dato transferido.

· En el caso de E/S por mapa de memoria se usarán las instrucciones correspondientes para almacenamiento o carga de datos en/desde memoria.

· La CPU se ocupa de realizar cada una de las transferencias, ejecutando instrucciones de E/S y estableciendo la sincronización adecuada. Se utiliza para periféricos de velocidad inferior a la de la CPU.

· Acceso directo a memoria (DMA):

· Permite la transferencia de datos directa entre el dispositivo y la memoria principal sin intervención de la CPU.

· Para periféricos de alta velocidad que deben transferir grandes bloques de datos hacia o desde la memoria principal.

4.2.2. Sincronización

Surge el problema de cómo conseguir que los periféricos estén permanentemente atendidos en sus demandas y ofrecimientos de información. Existen diferentes mecanismos:

· Por sondeo: La CPU se encarga de la sincronización realizando periódicamente una encuesta a los distintos dispositivos consultando su situación mediante la lectura del registro de estado del periférico (ready).
Es de gran simplicidad y flexibilidad pero presenta inconvenientes:

o El muestreo debe ser sistemático por lo que el programador debe incluirlo en sus programas.

o El muestreo debe ser frecuente y se pierde tiempo de la CPU, sobretodo cuando hay muchos periféricos o alguno de ellos requieren una atención inmediata.

· Mediante Interrupciones: Permite que sean los dispositivos los que interrumpan la ejecución del programa en la CPU cuando están en disposición de participar en una operación de E/S. Se hace a través de una línea especial del bus de control llamada INTR. La CPU ya no debe comprobar continuamente el estado de los periféricos.
Existirán zonas de programas en las cuales no se podrá aceptar ninguna interrupción, o solo algunas de ellas, por lo que se suelen incorporar instrucciones que permiten deshabilitar total o parcialmente las interrupciones.
Cuando se recibe una interrupción:

1. Se deshabilitan total o parcialmente las interrupciones

2. Se guarda el estado de la tarea en curso y el contador de programa en algún registro interno o en la pila, y se salta a la dir. Donde se encuentra la rutina de servicio de la interrupción.

3. Tratamiento de la interrupción

4. Restitución del estado de la tarea interrumpida

5. Rehabilitación de las interrupciones

6. Retorno al programa interrumpido

5. BUSES

· Elemento de comunicación de los computadores.

· Permite comunicar selectivamente a un cierto número de componentes o dispositivos, de acuerdo a unas ciertas reglas o normas de conexión.

5.1. Características

· Grado de paralelismo: puede ser serie (1 bit), paralelo (1 palabra) o multiplexado (parte de una palabra).

· Temporización: De ciclo completo, que ocupa el bus durante todo el tiempo que dura la transferencia de una información elemental, o partido, que divide el tiempo del bus en una serie de pequeños periodos o ranuras (time slots) para cada uno de los mensajes.

· Modo de operación: síncrono o asíncrono.

· Estrategia de control: El bus puede ser controlado únicamente por la UCP o pueden existir varios maestros que se reparten entre ellos el uso del bus.

· Velocidad: velocidad de transmisión que depende de su longitud, del medio empleado y de la lógica de control.

· Capacidad de conexión: Máximo número de elementos que se pueden conectar al bus.

· Soporte: material empleado para hacer la conexión física de los dispositivos. P.e.: pistas de circuido impreso, cables o fibra óptica.

5.2. Jerarquía de buses

Se pueden clasificar atendiendo a su longitud y función dentro del computador

· Bus interno de un chip: CPU y la caché de nivel 1

· Conector de componentes: AGP, PCI

· Bus paralelo de E/S: SCSI 2,

· Bus serie: Serial ATA 2

5.3. Un ejemplo: Bus AGP

La tecnología AGP (Accelerated Graphics Port) suministra una vía de alta velocidad entre la controladora de gráficos de un ordenador y la memoria del sistema, lo que permite al controlador gráfico ejecutar mapas de textura directamente desde la memoria del sistema, generalmente más abundante que la memoria caché de la tarjeta gráfica.

Ayuda a incrementar el flujo de descodificación de vídeo entre la UCP y el controlador de gráficos.

Ventajas:

· Se puede emplear mapas de textura de mayor tamaño.

· Las aplicaciones con gráficos 3D se ejecutan más rápidamente

· Se minimiza la necesidad de memoria de vídeo

· El tráfico de procesado de imágenes se traslada desde el bus del sistema al bus AGP

6. Estructura de un sistema actual

6.1. Microprocesadores

· En la actualidad en un único chip se integran millones de transistores.

· Los microprocesadores actuales, además de los circuitos de un procesador clásico, suelen contener: Procesador de coma flotante, Sistema de gestión de memoria, Memoria caché, Instrucciones para multimedia y comunicaciones, etc.

· La mayoría de 32bits, (Pentium IV, AMD Atlon, etc.) 64 bits Itanium, Atlon 64, SPARC, Alpha, etc.

6.2. Memorias

3 tipos:

· Módulos DIMM DDR-SDRAM de 168/184 contactos

· Módulos DIMM DDR2 para algunos Pentium IV

· Módulo RIMM de memoria RAMBUS, encontrado en algunos Pentium IV, fisicamente muy similar a los anteriores.

· En un PC antiguo (Pentium) la memoria eran módulos SIMM de 72 contactos (si te trata de un 386 o 486 de baja gama será de 30)

6.3. Placas base

· Socket para Microprocesador:

o Pentium/Pentium MMX/K5/K6 y otros ZIF Socket 7

o Intel Pentium II/III, usarán el Slot 1

o Athlon /Athlon XP/Duron Socket A

o Pentium IV/ IV D Socket 423, 478 y 775 (el más nuevo)

o Athlon 64 Socket 754, 939

o Athlon 64 X2 y AMD Opteron dual core 64 bits Socket 940;

· Slots para tarjetas internas: PCIs, AGP8X, PCI Express X16

· Slots de memoria RIMM/DIMM: 168/184 contactos, ancho de banda de 64bits, DDR400/333/266

· Discos: 2 IDE-UltraDMA, 2 Serial ATA, 1 disquetera, SCSI

· Periféricos:, 2 puertos series, 1 paralelo, 2 PS/2 (teclado y ratón), Firewire y hasta 8 USBs.

· Suelen incluir comunicaciones, sonido y juegos

· Chipset: Varios circuitos integrados que agrupan funciones diversas de la placa base. Dependen del tipo de microprocesador, contienen el reloj de tiempo real, diversos adaptadores (puente PCI, por ejemplo), controladores (de memoria, de teclado, del ratón, del acelerador de gráficos, de la interfaz USB, etc.) y determinan la velocidad máxima del bus de memoria y otros circuitos externos al microprocesador.

· BUS: La velocidad actual de los buses principales del sistema ronda los 200MHz con multiplicadores para los microprocesadores que rondan los 2-3GHz.

6.4. Discos Duros y controladoras de discos

· UltraDMA 66/100, SCSI, SATA, RAID 0,1,2,5,10

6.5. Tarjetas gráficas

· AGP, 3D, Memoria caché

6.6. Fuentes de alimentación

· Transforma la corriente alterna en continua de +/-5V, +/-12V y 3.3V

Publicado: marzo 24, 2019 por Laura Gonzalez

Etiquetas: tema 2 informatica