ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

ISC. José Efraín Escalante Domínguez

Modelos de arquitecturas de cómputo

La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de 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.

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 segmentación de instrucciones es similar al uso de una cadena de montaje en una fábrica de manufacturación. En las cadenas de montaje, el producto pasa a través de varias etapas de producción antes de tener el producto terminado. Cada etapa o segmento de la cadena está especializada en un área específica de la línea de producción y lleva a cabo siempre la misma actividad. Esta tecnología es aplicada en el diseño de procesadores eficientes.

Modelos de arquitecturas de cómputo

El modelo clásico de arquitectura de computadoras fué diseñado por Jhon Von Newman que consta de los siguientes elementos:

Dispositivos de entrada, de proceso, de almacenamiento y de salida

MODELO DE VON NEUMANN Las computadoras digitales actuales se ajustan al

modelo propuesto por el matemático John Von Neumann. De acuerdo con el, una característica importante de este modelo es que tanto los datos como los programas, se almacenan en la memoria antes de ser utilizados.

Modelos de arquitecturas de cómputo

Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento de la computadora es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.

La arquitectura en pipeline (basada en filtros) consiste en ir transformando un flujo de datos en un proceso comprendido por varias fases secuenciales, siendo la entrada de cada una la salida de la anterior.

Esta arquitectura es muy común en el desarrollo de programas para el intérprete de comandos, ya que se pueden concatenar comandos fácilmente con tuberías (pipe). También es una arquitectura muy natural en el paradigma de programación funcional, ya que equivale a la composición de funciones matemáticas.

Veamos en que consiste el pipe-line y tratemos de entender porque el pipe-line mejora el rendimiento de todo el sistema.

Veamos una CPU no organizada en pipe-line: Si se trata de una instrucción a ser ejecutada podemos decir que la CPU realiza a lo largo del ciclo de

maquina estas 5 tareas. Una vez que termina de ejecutar una instrucción va a buscar otra y tarda en ejecutarla un tiempo T, es

decir cada T segundos ejecuta una instrucción. ¿Qué sucede si dividimos en 5 unidades según las 5 cosas que realiza la CPU? Supongamos la CPU dividida en 5 unidades, de tal forma que c/u tarde lo mismo en realizar su

partecita. Es decir c/u tardará T/5. Para que una instrucción se ejecute se necesita T segundos entonces para que usar pipe-line. Si ocurre esto en una CPU normal a una con pipe-line, la cantidad de instrucciones que se hacen por

segundo aumenta, es decir aumenta el flujo de instrucciones que se ejecutan por segundo.

Modelos de arquitecturas de cómputo

El modelo de multiprocesamiento se trata de un tipo de arquitectura de computadoras en que dos o más procesadores comparten una única memoria central.

La arquitectura SMP (Multi-procesamiento simétrico, también llamada UMA, de “Uniform Memory Access”), se caracteriza por el hecho de que varios microprocesadores comparten el acceso a la memoria. Todos los microprocesadores compiten en igualdad de condiciones por dicho acceso, de ahí la denominación “simétrico”.

Los sistemas SMP permiten que cualquier procesador trabaje en cualquier tarea sin importar su localización en memoria; con un propicio soporte del sistema operativo, estos sistemas pueden mover fácilmente tareas entre los procesadores para garantizar eficientemente el trabajo.

Una computadora SMP se compone de microprocesadores independientes que se comunican con la memoria a través de un bus compartido. Dicho bus es un recurso de uso común. Por tanto, debe ser arbitrado para que solamente un microprocesador lo use en cada instante de tiempo. Si las computadoras con un solo microprocesador tienden a gastar considerable tiempo esperando a que lleguen los datos desde la memoria, SMP empeora esta situación, ya que hay varios parados en espera de datos.

Análisis de los componentes

Desde el punto de vista funcional, un microprocesador es un circuito integrado que incorpora en su interior una unidad central de proceso (CPU) y todo un conjunto de elementos lógicos que permiten enlazar otros dispositivos como memorias y puertos de entrada y salida (I/O), formando un sistema completo para cumplir con una aplicación específica dentro del mundo real.

Análisis de los componentes

Funcionamiento: El microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como

números binarios organizados secuencialmente en la memoria principal. La ejecución de las instrucciones se puede realizar en varias fases:

PreFetch, pre lectura de la instrucción desde la memoria principal. Fetch, envío de la instrucción al decodificador Decodificación de la instrucción, es decir, determinar qué

instrucción es y por tanto qué se debe hacer. Lectura de operandos (si los hay). Ejecución, lanzamiento de las máquinas de estado que llevan a

cabo el procesamiento. Escritura de los resultados en la memoria principal o en los

registros.

Análisis de los componentes

Cada una de estas fases se realiza en uno o varios ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del procesador, y concretamente de su grado de segmentación. La duración de estos ciclos viene determinada por la frecuencia de reloj (MHZ).

Análisis de los componentes

Arquitectura: El microprocesador tiene una arquitectura

parecida a la computadora digital. En otras palabras, el microprocesador es como la computadora digital porque ambos realizan cálculos bajo un programa de control. El microprocesador hizo posible la fabricación de potentes calculadoras y de muchos otros productos.

Análisis de los componentes

El microprocesador utiliza el mismo tipo de lógica que es usado en la unidad procesadora central (CPU) de una computadora digital. El microprocesador es algunas veces llamado unidad microprocesadora (MPU). En otras palabras, el microprocesador es una unidad procesadora de datos. En un microprocesador podemos diferenciar diversas partes:

Análisis de los componentes

El encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en si, para darle consistencia, impedir su deterioro (por ejemplo, por oxidación por el aire) y permitir el enlace con los conectores externos que lo acoplaran a su zócalo a su placa base.

Análisis de los componentes

La memoria cache: es una memoria ultrarrápida que emplea el procesador para tener a mano ciertos datos que predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera. Todos los micros poseen la llamada cache interna de primer nivel o L1; es decir, la que está más cerca del micro, tanto que está encapsulada junto a él. Hoy en dia hay procesadores que cuentan con el L2, L3, y L4.

Análisis de los componentes

Coprocesador Matemático: o correctamente la FPU (Unidad de coma flotante). Que es la parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos, antiguamente estaba en el exterior del procesador en otro chip. Esta parte esta considerada como una parte "lógica" junto con los registros, la unidad de control, memoria y bus de datos.

Análisis de los componentes

Los registros: son básicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro tiene disponible para algunos usos particulares. Hay varios grupos de registros en cada procesador. Un grupo de registros esta diseñado para control del programador y hay otros que no son diseñados para ser controlados por el procesador pero que CPU los utiliza en algunas operaciones, en total son treinta y dos registros.

Análisis de los componentes

La memoria: es el lugar donde el procesador encuentra las instrucciones de los programas y sus datos. Tanto los datos como las instrucciones están almacenados en memoria, y el procesador las toma de ahí. La memoria es una parte interna de la computadora y su función esencial es proporcionar un espacio de trabajo para el procesador.

Análisis de los componentes

Puertos: es la manera en que el procesador se comunica con el mundo externo. Un puerto es parecido a una línea de teléfono. Cualquier parte de la circuitería de la computadora con la cual el procesador necesita comunicarse, tiene asignado un número de puerto que el procesador utiliza como un número de teléfono para llamar al circuito o a partes especiales

Análisis de los componentes

Análisis de los componentes

Una unidad de control vincula la información entrante para luego decodificarla y enviarla a la unidad de ejecución: La unidad de control se compone de los siguientes elementos: secuenciador (o unidad lógica y de supervisión ),

que sincroniza la ejecución de la instrucción con la velocidad de reloj. También envía señales de control:

contador ordinal, que contiene la dirección de la instrucción que se está ejecutando actualmente;

registro de instrucción, que contiene la instrucción siguiente.

Análisis de los componentes

Una unidad de ejecución (o unidad de procesamiento), cumple las tareas que le asigna la unidad de instrucción. La unidad de ejecución se compone de los siguientes elementos: la unidad aritmética lógica (se escribe ALU); sirve

para la ejecución de cálculos aritméticos básicos y funciones lógicas (Y, O, O EXCLUSIVO, etc.);

la unidad de punto flotante (se escribe FPU), que ejecuta cálculos complejos parciales que la unidad aritmética lógica no puede realizar;

el registro de estado; el registro acumulador.

Análisis de los componentes

Una unidad de administración del bus (o unidad de entrada-salida) que administra el flujo de información entrante y saliente, y que se encuentra interconectado con el sistema RAM;

Análisis de los componentes

La memoria de acceso aleatorio (en inglés: random-access memory cuyo acrónimo es RAM) es la memoria desde donde el procesador recibe las instrucciones y guarda los resultados.

Análisis de los componentes

La historia está marcada por la necesidad del volumen de datos. Originalmente, los datos eran programados por personas físicas (en el contexto de personas materiales) con movimientos de interruptores. Se puede decir que el movimiento de datos era bit a bit.

Análisis de los componentes

En origen, los programadores no veían en tiempo real lo que tecleaban, teniendo que imprimir de cuando en cuando el programa residente en memoria RAM y haciendo uso del papel a la hora de ir modificando o creando un nuevo programa. Dado que el papel era lo más accesible, los programas comenzaron a imprimirse en un soporte de celulosa más resistente, creando lo que se denominó Tarjeta perforada.

Análisis de los componentes

Así pues, los programas constaban de una o varias tarjetas perforadas, que se almacenaban en archivadores de papel con las típicas anillas de sujeción. Dichas perforaciones, eran leídas por un dispositivo de entrada, que no era muy diferente al teclado y que constaba de pulsadores que eran activados o desactivados, dependiendo de si la tarjeta en la posición de byte, contenía una perforación o no. Cada vez que se encendía la máquina, requería de la carga del programa que iba a ejecutar.

Análisis de los componentes

La RAM es una memoria volátil, que significa que la información o instrucciones que almacena en ella se pierden en el momento que deja de recibir voltaje. Se trata de una memoria de semiconductor en la que se puede leer como escribir información. Se utiliza normalmente como memoria temporal para almacenar resultados intermedios y datos similares no permanentes. Se dicen “de acceso aleatorio/random” o “de acceso directo” porque los diferentes accesos son independientemente entre sí.

Análisis de los componentes

En general, las RAMs se dividen en estáticas y dinámicas. Una Memoria RAM estática mantiene su contenido mientras esté alimentada. En cambio, en una Memoria RAM dinámica la lectura es destructiva, es decir que la información se pierde al leerla, para evitarlo hay que restaurar la información contenida en sus celdas, operación denominada refresco.

Análisis de los componentes

Tipos de ram estática

SRAM. Static Random Access Memory – Memoria estática de acceso aleatorio

Es un tipo de memoria más rápida y confiable que la DRAM. El términoestática se debe a que necesita ser refrescada menos veces que la DRAM. Tienen un tiempo de acceso del orden de 10 a 30 nanosegundos. Estas memorias no precisan de los complejoscircuitos de refrescamiento como sucede con las RAMs dinámicas, pero usan mucha más energía y espacio. La misma es usada como memoria caché.

Análisis de los componentes

Sync SRAMSynchronous Static Random Access Memory –Es también un tipo de memoria caché. La RAM sincronizada a ráfagas ofrece datos de modo sincronizado con lo que no hay retraso en los ciclos de lectura a ráfagas. El problema está en velocidades de reloj superiores a los 66 mhz. Estos módulos están en desuso porque su precio es realmente elevado y sus prestaciones frente a la PB SRAM no son buenas por lo que se fabrican en pocas cantidades.

Análisis de los componentes

PB SRAMPipeline Burst Static Random Access Memory – Es un tipo de memoria estática pero que funciona a ráfagas mediante el uso de registros de entrada y salida, lo que permite solapar los accesos de lectura a memoria.Es usada como caché al igual que la SRAM, y la más rápida de la actualidad con soporte para buses de 75 mhz ó superiores. Su velocidad de acceso suele ser de 4 a 8 nanosegundos.

Análisis de los componentes

Tipos de ram dinámica:

DRAMDynamic Random Access Memory – Memoria dinámica de acceso aleatorio. Opera de la siguiente manera, las posiciones de memoria están organizadas en filas y columnas. Cuando accedemos a la memoria empezamos especificando la fila, después la columna y por último decimos si deseamos escribir o leer en esa posición. En ese momento la memoria coloca los datos de esa posición en la salida si el acceso es de lectura o toma los datos y los almacena en la posición seleccionada si el acceso es de escritura.

Análisis de los componentes

FPM RAMFast Page Memory - Memoria en modo paginado. También es llamada FPM, FPM DRAM ó DRAM puesto que evoluciona directamente de ella es algo más rápida ya que su velocidad es de 70 ó 60 nanosegundos.Físicamente aparece como SIMMs de 30 ó 72 contactos. Con el modo pagina, la fila se selecciona una sola vez para todas las columnas dentro de la fila, dando así un rápido acceso. Usada en sistemas con velocidades de bus de 66 mhz, generalmente equipos con procesadores Pentium de 100 a 200 mhz y en algunos 486.

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EDO RAMExtended Data Output Random Access Memory – Memoria de accesoaleatorio extendida de salida de datos. Evoluciona de la Fast Page Memorymejorando el rendimiento en un 10% aproximadamente. Con unrefrescamiento de 70, 60 ó 50 nanosegundos. Se instala sobre todo enSIMMs de 72 contactos, aunque también se puede encontrar en forma deDIMMs de 168 contactos. El secreto de la memoria EDO radica en una seriede latchs que se colocan a la salida de la memoria para almacenar los datosen ellos hasta que el bus de datos queda libre y pueden trasladarse a laCPU, o sea mientras la FPM puede acceder a un único byte la EDO permitemover un bloque completo de memoria.

Análisis de los componentes

SDRAMSynchronous Dynamic Random Access Memory – Memoria de accesoaleatoria sincronizado. Es casi un 20 % más rápida que le EDO RAM. LaSDRAM entrelaza dos o más matrices de memoria interna de tal forma quemientras se está accediendo a una matriz, la siguiente se está preparandopara el acceso, es capaz de sincronizar todas las señales de entrada y salida con la velocidad del reloj de sistema. Es capaz de soportar velocidades de bus de 100 mhz por lo que su refrescamiento debe ser mucho más rápido alcanzando el mismo velocidades de 10 nanosegundos. Se encuentra físicamente en módulos DIMM de 168 contactos. Este tipo de memoria es usada generalmente en los Pentium II de menos de 350 mhz y en los Celeron.

Análisis de los componentes

PC100 o SDRAM de 100 mhzTeóricamente es un tipo de memoria SDRAM que cumple unas estrictas normas referentes a la calidad de los chips y diseño de los circuitos impresos establecidos por Intel para el correcto funcionamiento de la memoria, o sea para que realmente funcionen a esos 100 mhz.

Análisis de los componentes

BEDO RAMBurst Extended Data Ouput Memory Random Access – Es una evolución de la EDO RAM la cual compite con la SDRAM. Lee los datos en ráfagas, lo que significa que una vez que se accede a un dato de una posición determinada de memoria se leen los tres siguientes datos en un solo ciclo de reloj por cada uno de ellos, reduciendo los tiempos de espera del procesador Al igual que la EDO RAM la limitación de la BEDO RAM es que no puede funcionar por encima de los 66 mhz.

Análisis de los componentes

ESDRAMEnhanced SDRAM – Para superar algunos de los problemas de latencia inherentes con los módulos de memoria DRAM standar, varios fabricantes han incluido una cantidad pequeña de SRAM directamente en el chip, eficazmente creando un caché en el chip. Permite tiempos de latencia más bajos y funcionamientos de 200 mhz. La SDRAM oficia como un caché dentro de la memoria. Existe actualmente un chipset que soporta este tipo de memoria.

Análisis de los componentes

SLDRAMSysnclink DRAM - La SLDRAM es una DRAM fruto de un desarrollo conjunto. Su desarrollo se lleva a cabo por un grupo de 12 compañías fabricantes de memoria. La SLDRAM es una extensión más rápida y mejorada de la arquitectura SDRAM que amplía el actual diseño de 4 bancos a 16 bancos.

Análisis de los componentes

RDRAMLa tecnología RDRAM ofrece un diseño de interface chip a chip de sistema que permite un paso de datos hasta 10 veces más rápido que la DRAM estándar, a través de un bus simplificado. Se la encuentra en módulos RIMM los que conforman el estándar de formato DIMM pero sus pines no son compatibles. Su arquitectura está basada en los requerimientos eléctricos del Canal RAMBUS, un bus de alta velocidad que opera a una tasa de reloj de 400 MHz el cual habilita una tasa de datos de 800MHz. El bus usa características de líneas de transmisión para mantener una alta intregridad en la señal. El control de la temperatura se hace a través de un disipador y un elastómero térmicamente conductor.

Dispositivos de entrada y salida En computación, entrada/salida, también abreviado E/S o I/O. Es la colección de interfaces que usan las distintas unidades funcionales de un sistema de procesamiento de información, para comunicarse unas con otras.

Dispositivos de entrada y salida Las entradas son las señales recibidas por la

unidad, mientras que las salidas son las señales enviadas por ésta. Los dispositivos de E/S los usa una persona u otro sistema para comunicarse con una computadora. De hecho, a los teclados y ratones se los considera dispositivos de entrada de una computadora, mientras que los monitores e impresoras son vistos como dispositivos de salida de una computadora. Los dispositivos típicos para la comunicación entre computadoras realizan las dos operaciones, tanto entrada como salida, y entre otros se encuentran los módems y tarjetas de red.

Dispositivos de entrada y salida En arquitectura de computadoras, a la

combinación de una unidad central de procesamiento (CPU) y memoria principal (aquélla que la CPU puede escribir o leer directamente mediante instrucciones individuales) se la considera el corazón de la computadora y cualquier movimiento de información desde o hacia ese conjunto se lo considera entrada/salida. La CPU y su circuitería complementaria proveen métodos de entrada/salida que se usan en programación de bajo nivel para la implementación de controladores de dispositivos.

Dispositivos de entrada y salida Los sistemas operativos y lenguajes de

programación de más alto nivel brindan conceptos y primitivas de entrada/salida distintos y más abstractos. Por ejemplo, un sistema operativo brinda aplicativos que manejan el concepto de archivos. El lenguaje de programación C define funciones que les permiten a sus programas realizar E/S a través de streams, es decir, les permiten leer datos desde y escribir datos hacia sus programas.

Dispositivos de entrada y salida Entrada:

Teclado Ratón Joystick Lápiz óptico Micrófono Webcam Escáner Escáner de

código de barras

Salida: MonitorAltavozAuricularesImpresoraPlotterProyector

Entrada/salida: Unidades de almacenamientoCDDVDMódemFaxMemory cardsUSBRouterPantalla táctil

Arquitectura de entrada y salida

Arquitectura de entrada y salida Periférico:Dispositivo que permite al microprocesador su interacción con el entorno Interfaz:Conjunto de módulos electrónicos que permiten el control de un periférico adaptando las diferentes velocidades y modos de funcionamiento del microprocesador y los periféricos Bus:Normalmente se refiere al conjunto de señales con las que se comunica el microprocesador con el entorno: memoria o periféricos (a través de las interfaces)

Arquitectura de entrada y salida Las principales razones de uso de una interfaz son: Existen una gran variedad de periféricos con normas

de funcionamiento diferentes y resultaría imposible implementar en el procesador tal diversidad de controladores

Las diferencias de velocidad de los dispositivos hace que no sea práctico comunicarse con ellos directamente a través del bus del sistema

En algunos casos incluso la velocidad del dispositivo es mayor que la de la memoria o el procesador

Los periféricos utilizan datos con formatos y tamaños de palabra diferentes de los del microprocesador al que se conectan

Tipos de entrada y salida

Entrada/salida por consulta o programadaLa CPU accede a los registros desde programa para saber si el dispositivo está listo, se hace una consulta periódica Entrada/salida por interrupcionesel dispositivo avisa a la CPU cuando está listo, la entrada/salida se hace mediante una rutina de servicio de interrupción Entrada/salida por acceso directo a memoriael dispositivo accede directamente a la memoria avisa a la CPU del inicio o final de la operación

E/S por consulta

La operación de E/S es controlada por la CPUAntes de realizar la operación se comprueba el (los) registro(s) de estado, para ver si el dispositivo está listo

Ventajas: sencillez

Desventajas: ritmo de transferencia limitado por la velocidad de la CPU tiempo de respuesta elevado, mayor que el periodo de

consulta sobrecarga de la CPU para operaciones de consulta que

podrían evitarse

E/S por interrupciones

Permite al dispositivo marcar el instante en que se hace la transferencia de datosEl mecanismo de interrupción está presente en casi todas las computadoras.

E/S por acceso directo a memoriaEl ritmo de transferencia es superior al de los otros métodosEl instante de E/S lo marca el dispositivo con interrupcionesHay líneas para desconectar a la CPU de la memoria.

Principales interconexiones de buses.

Bus del procesadorllamado FSB (Front-Side Bus) es el de mayor velocidad del sistema comunica el procesador con la caché, la memoria principal, o el North Bridge del chipset. velocidades en MHz de : 66, 100, 133,

200, 266, 400, 533, 800, 1066

Principales interconexiones de buses.

Bus AGPel bus AGP (Accelerated Graphics Port) tiene 32 bits y está destinado a tarjetas gráficas velocidades en MHz de: 66 (AGPx1), 133

(AGPx2), 266 (AGPx4), ó 533 (AGPx8) permite anchos de banda de hasta 2133 MBps se conecta al North Bridge o a un Hub

controlador de la memoria en los sistemas más modernos está en desuso

en favor del PCIExpress

Principales interconexiones de buses.

PCI-Expresstercera generación del bus PCI (Peripheral Component Interconnect)- su velocidad se describe en términos de carriles (lanes)- cada carril bidireccional (dual-simplex) soporta un ritmo de transferencia de 2.5 Gbps en cada dirección (2 Gbps efectivos), se conoce como slot PCI-Express x1- algunos sistemas soportan PCI-Express x4 (10 Gbps en cada dirección)- las tarjetas gráficas generalmente usan el slot PCI-Express x16 (40 Gbps en cada dirección)

Principales interconexiones de buses.

PCI-X- segunda generación del bus PCI (PCI Extended)- soporta slots de 64 bits compatibles con PCI de 32 y 64 bits- la velocidad en la versión 1 es de 133 MHz y en la 2.0 hasta 533 MHz- el ancho de banda en la versión 2.0 se divide entre los slots PCI-X y PCI- aunque algunos South Bridge puede generar PCI-X, la mayoría de los chipset usan un chip aparte

Principales interconexiones de buses.

Bus PCI- bus de 32 bits a 33 MHz desde los primeros Intel 486- opcionalmente hay versiones de 66 MHz y 64 bits- puede ser generado por el North Bridge, el South Bridge, o Hubs- usado para periféricos rápidos

Principales interconexiones de buses.

Bus ISA- bus de 16 bits a 8 MHz (el original de 1984 8 bits a 5 MHz)- desaparece en los sistemas más modernos- utilizado para periféricos lentos: modems o tarjetas de sonido- se genera en el South Bridge de la placa base, que actúa como controlador del bus ISA y como interfaz con el bus PCI (más rápido)- el chip Super I/O normalmente se conecta al bus ISA en los sistemas con estos slots- el chip Super I/O normalmente integra dispositivos que estaban separados en tarjetas de expansión en sistemas antiguos: - controlador de disquetera - uno o dos controladores de puertos serie - controlador de puerto paralelo