Universidad Nacional Mayor de San MarcosFacultad de Ciencias MatematicasE. A. P.de Computacin CientificaArquitectura de ComputadoresSemana 01

Como funciona un PC

Todo PC funciona, desde un punto de vista llamado externo, con un esquema similar y muy simple a travs de los perifricos de entrada (teclado, ratn, micrfono...) se introducen datos. Estos pasan a guardarse en los dispositivos correspondientes (memorias) y se incorporan a la unidad central donde se procesan. El resultado de tal procesamiento se enva a los perifricos de salida (monitor, impresora...) dando lugar a la salida de datos. Internamente, la transferencia de los datos desde los dispositivos de entrada llega a la unidad central de proceso a travs de los denominados buses de datos. En el CPU se procesan y siguen el camino inverso al recorrido anteriormente: se guardan en la memoria y restantes unidades de almacenamiento y salen mediante los dispositivos de salida.

Definiciones de: computador, arquitectura y organizacin del computadorSe puede definir la arquitectura de computadores como el estudio de la estructura, funcionamiento y diseo de computadores. Esto incluye, sobre todo a aspectos de hardware, pero tambin afecta a cuestiones de software de bajo nivel.

Computador, dispositivo electrnico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando clculos sobre los datos numricos, o bien compilando y correlacionando otros tipos de informacin.

Definiciones de: computador, arquitectura y organizacin del computador

ENTRADAIngreso de DatosDispositivos de Entrada

PROCESOTrabajo de la CPUUnidad Central de Proceso

SALIDAEntrega de ResultadosDispositivos de Salida

Generacin de Computadores 1 generacin: (1946-1955) Computadores basados en vlvula de vaco que se programaron en lenguaje mquina o en lenguaje ensamblados.

2 generacin: (1953-1964) Computadores de transistores. Evolucionan los modos de direccionamiento y surgen los lenguajes de alto nivel.

3 generacin: (1964-1974) Computadores basados en circuitos integrados y con la posibilidad de trabajar en tiempo compartido.

4 generacin: (1974- ) Computadores Que integran toda la CPU en un solo circuito integrado (microprocesadores). Comienzan a proliferar las redes de computadores.

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESOLa Unidad central de proceso o CPU, se puede definir como un circuito microscpico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los computadores.Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un nico trozo de silicio que contiene millones de componentes electrnicos.

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESOEl microprocesador de la CPU est formado por:

Una unidad aritmtico-lgica que realiza clculos y comparaciones, y toma decisiones lgicas (determina si una afirmacin es cierta o falsa mediante las reglas del lgebra de Boole); Una serie de registros donde se almacena informacin temporalmente, y,Una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones.

Como se entera de lo que el usuario desea ?Para aceptar rdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a travs de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus. El usuario lo hace a traves de alguna plataforma operativa (Windows, Linux)

Elementos componen el Microprocesador Unidad de control: controla el funcionamiento de la CPU y por tanto del computador.

Unidad aritmtico-lgica (ALU): encargada de llevar a cabo las funciones de procesamiento de datos del computador.

Registros: proporcionan almacenamiento interno a la CPU.

Interconexiones CPU: Son mecanismos que proporcionan comunicacin entre la unidad de control, la ALU y los registros.

Perifricos DeEntrada

MemoriaPrincipalUnidad de ControlUnidadAritmtica

Perifricos DeSalida

CPUUnidad Central de Proceso

Como se mide la velocidad ?La velocidad de un procesador se mide en Megahertz y, mientras mayor es el nmero de megahertz con que trabaja el computador, tiene mayor velocidad de proceso. En realidad, los megahertz indican la velocidad del reloj interno que posee todo microprocesador. Este establece el nmero de pulsos que se efectan en cada segundo. Cuanto mayor sea el nmero de pulsos, mayor ser la velocidad del microprocesador.

Como viaja la informacin ?La informacin viaja utilizando los buses.Los buses "Son cada una de lneas metlicas de los circuitos impresos, por aqu circula todo tipo de informacin, que va de un dispositivo a otro"

Como viaja la informacin ?

BusesSon caminos de comunicacin entre 2 o mas dispositivosUsualmente de transmisin Frecuente agrupadosUn nmero de canales en un busejm. Bus de datos de 32 bit son 32 lneas del bus

Tipos de BusesBus de Sistema (Procesador-Memoria)Corto y alta velocidadSolo necesita emparejar con la memoriaMaximiza el ancho de banda procesador-memoriaConectado directamente al procesadorOptimizado por transferencia de bloques de cacheBus I/O (estndar industrial)Usualmente largo y lentoNecesita empatar un amplio rango de dispositivos I/OConectado al bus del procesador-memoria.

CaractersticasLa capacidad de rendimiento de un BUS viene determinada por 3 parmetros:Ancho del BUS: numero de lneas en paralelos por las que se transmiten la info. Puede ser de 8-16-32-64 bits o incluso de 128 para las tarjetas de video.Frecuencia del BUS: la frecuencia de reloj con el que el BUS trabaja (MHz).Velocidad de transmisin del BUS: MB que se pueden transmitir por segundo.

Memoria CacheEl intercambio de datos entre la CPU y la memoria RAM es una de las tareas que se hacen con mayor frecuencia.Dado que la RAM es mucho ms lenta que la CPU se ha incorporado a la CPU y a la Motherboard, un circuito de memoria Cach, la cul es una memoria de alta velocidad. Esta es una de las cosas que mejora el desempeo del sistema en general.La memoria Cach es un circuito de memoria de alta velocidad en el que se almacenan bloques de instrucciones del programa en ejecucin y un bloque de datos del conjunto de datos que se utiliz por ultima vez, de forma que la siguiente vez que se necesiten estos datos, se toman directamente de esta memoria.

Tipos de Memoria CacheExisten dos tipos:

Cache de Primer Nivel (Level 1)Ubicada dentro del procesadorDivida en dos partes. Para datos y para instruccionesUtilizada unicamente por el procesador

Cache de Segundo Nivel (Level 2)Ubicada por fuera del procesador (en la placa madre)Mantiene los ultimos datos utilizados y esta en contacto permanente con la memoria RAM.Es de uso general para las diferentes aplicaciones (soiftware) que maneja el computador.

Memoria Cach: FuncionamientoCuando un programa est ejecutndose y la CPU necesita ir a traer datos (o ms instrucciones) a la RAM, primero verifica que los datos estn en la memoria cach.Si no los encuentra en la cach, traer una copia de esos datos de la RAM a la CPU y tambin realizar una copia en la memoria cach.La prxima vez que los necesita, los ir a buscar a la memoria cach, de donde los podr extraer ms rpidamente.El ltimo bloque de datos ledo desde la RAM tambin se copia en la memoria cach. Este bloque es, con mucha probabilidad, el mismo que se necesitar en la prxima lectura de datos.

Esquena de utilizacin de la memoria cach

SemiconductoresComo sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente elctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente elctrica son conductores. Analgicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prcticamente tampoco el conductor perfecto. Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones.

Bit y BytesLa unidad de almacenamiento tanto en discos como en cintas y en memoria de trabajo (RAM) es el Byte. Un Byte est constituido por 8 pulsos o seales, llamados bits (abreviatura de binary digit = dgito binario).Cada smbolo interpretable, que se puede almacenar en la computadora: letras del alfabeto, signos de puntuacin, etc., estn formados por bytes.La capacidad de almacenamiento (fijo o temporal) se mide de acuerdo a la cantidad de bytes que pueden contener.

Unidades de medida

Memorias del SistemaRAM (Random Access Memory)Static RAM (SRAM)Async SRAMSync RAMPipeline Burst SRAMDinamic RAM (DRAM)Fast Page Mode (FMP DRAM)Extended Data Out (EDO DRAM)Synchronous DRAM (SDRAM)PC100DDRESDRAM

ROM (Read Only Memory)PROMEPROMEEPROM

Memorias RAMLa memoria RAM (Random Access Memory Memoria de Acceso Aleatorio) es la memoria de almacenamiento principal en donde la PC guarda los datos que est utilizando en ese momento

La memoria que auxilia a la CPU en el procesamiento de los datos se conoce como memoria RAM (Random Access Memory = Memoria de Acceso Aleatorio).Se hace referencia a esta memoria como de acceso aleatorio debido a su capacidad de tener acceso a cada byte de forma directa. A diferencia de la memoria ROM, la RAM es voltil, es decir, pierde su contenido una vez se apaga la computadora. Memoria RAM

Memorias RAMFPM (Fast Page): ms rpida que la anterior, por su estructura (el modo de Pgina Rpida) y por ser de 70 60 ns. Usada hasta con los primeros Pentium, fsicamente SIMM de 30 72 contactos (los de 72 en los Pentium y algunos 486). EDO (Extended Data Output-RAM): permite introducir nuevos datos mientras los anteriores estn saliendo lo que la hace un poco ms rpida que la FPM. Muy comn en los Pentium MMX y AMD K6, con refrescos de 70, 60 50 ns. Fsicamente SIMM de 72 contactos y DIMM de 168. SDRAM (Sincronic-RAM): Funciona de manera sincronizada con la velocidad de la placa base (de 50 a 66 MHz), de unos 25 a 10 ns. Fsicamente solo DIMM de 168 contactos, es usada en los Pentium II de menos de 350 MHz y en los Celeron. El estndar de la memoria SDRAM es el llamado JEDEC de diciembre de 1996

Memorias RAMPC100: memoria SDRAM de 100 MHz, que utilizan los AMD K6-II, III, Pentium II y micros ms modernos. Ofrecen una transferencia de 8 bytes/ciclo x 100MHz = 800MB/seg. (0,8GB/seg). DDR SDRAM, Double Data Rate SDRAM, est basado el estndar JEDEC, y la diferencia con la SDRAM es que por cada ciclo de reloj se activa dos veces, una en el flanco de subida y otra en el de bajada, con ello tericamente se dobla la velocidad. ESDRAM, Enhanced SDRAM, esta memoria es una memoria SDRAM normal pero adems se le aade un mdulo de SRAM, como la memoria de la cache, este mdulo viene a funcionar como la cach del procesador, con ello se consigue un mejor tiempo de respuesta

Memorias ROMLos fabricantes de computadoras siempre acompaan el hardware del que nos proveen con ciertas rutinas de software bsicas para comunicacin con los dispositivos a bajo nivel.El Sistema Operativo maneja la comunicacin con los dispositivos a travs de estas rutinas. El conjunto de estas rutinas se conoce como el BIOS (Basic Input Output System = Sistema Bsico de Entrada y Salida), que entra en accin desde el momento en que se enciende la computadora:Revisa la presencia y el estado de los dispositivos conectados al sistema.La cantidad de memoria disponible., transfiere el control al registro de arranque, etc.Transfiere el control al registro de arranque, etc.Estas rutinas son colocadas por el fabricante en un chip especial de memoria que va montado sobre la tarjeta madre (Motherboard).Por lo general el conjunto de estas rutinas no cambia y no debe ser alterado por los usuarios. Por ello ese chip especial de memoria es de solo lectura: Read Only Memory (ROM) = Memoria de solo lectura.

PROMEPROMProgramable Read-Only Memory = Memoria Programable de Solo Lectura. Se programa utilizando un tipo de dispositivo conocido como Quemador PROM o Programador PROM, el cual almacena permanentemente las instrucciones binarias en el chip.Erasable Programable Read-Only Memory = Memoria Borrable y Programable de Solo Lectura. Este tipo de chip puede reprogramarse. Contiene una ventana de cuarzo a travs de la cul se exponen los circuitos interiores del chip. Cuando se aplica luz ultravioleta a travs de la ventana se produce una reaccin qumica que borra el EPROM. Tipos de memoria ROM

EEPROMElectrically-erasable programmable read-only memory (ROM programable y borrable elctricamente), en espaol o castellano se suele referir al hablar como E-2-PROM y en ingls "E-Squared-PROM". Es un tipo de memoria ROM que puede ser programado, borrado y reprogramado elctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante rayos ultravioletas. Flash ROM Soluciona el problema de la lentitud de la reprogramacin de la memoria: la realiza en bloques de 512 byte. Los fabricantes permiten que se bajen las actualizaciones de las ROM desde Internet. Tipos de memoria ROM

ROM-BIOS-CMOS ?La CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Semiconductor Complementario de Oxido de Metal) es una porcin de 64 bytes encargada de almacenar los valores y ajustes de la BIOS (aquellos que el usuario podr cambiar). Podemos almacenar datos como por ejemplo, la fecha y la hora, los parmetros que definen el disco rgido, la secuencia de arranque o la configuracin de los puertos.

La BIOS es una memoria no voltil (tipo ROM) y que sus datos estn guardados y son inalterables, en cambio, la CMOS es una memoria de tipo RAM y los datos que se guardan se pueden alterar pero tambin se borrarn en caso de existir algn corte de energa. Para prevenir que se de esta situacin, es decir, que se borren los datos definidos por el usuario, se hace uso de una pila que alimentar esta memoria siempre que nuestra PC no est en marcha.

(Almacenamiento)Memoria Externa

DefinicinLas Unidades o dispositivos de Almacenamiento son componentes del hardware de la computadora que permiten -valga la redundancia- almacenar informacin, para su posterior uso.En ellas podemos transportar la informacin, guardarla, archivarla, etc

Unidades MagnticasSe usan para guardar datos en discos porttiles.Permiten almacenar, archivar, consultar, presentar, reutilizar, recuperar la informacin. Sus capacidades varan desde los 1,44 Mb (en los disquetes comunes), hasta los 2 Gb, en las unidades Jaz de Iomega.

Unidades MagnticasVentajasPorttiles.Bloqueo fsico contra escritura.Almacena varios archivos de uso comn (.doc, .xls, .ppt, etc.) y hasta algunos de mayor espacio (vdeos, audio, animaciones, fotos).Bajo costo.Desventajas:Son muy frgiles.Por su portabilidad, se estropean rpidamente.Poseen poco espacio de almacenamiento frente a otros dispositivos.

Unidades de Disco Duro (Hard Disk)Son utilizados, por lo general, para almacenar el Sistema Operativo y los programas, as como la informacin de uso regular por parte del usuario.Sus capacidades varan desde los 80 Gb aproximadamente (en realidad, hay de menor capacidad) y depende del avance tecnologico.

Unidades pticas (CD y DVD)Son dispositivos que permiten alojar, de manera porttil, grandes cantidades de informacin, a un bajo costo.Los CDs poseen una capacidad de 650 Mb, mientras que los DVD pueden alojar 4,7 y hasta 17,2 Gb de informacin en un solo disco.

Otras UnidadesVarias industrias, desde la fotogrfica hasta la de vdeo, se han beneficiado.Principales usos:Cmaras fotogrficasLaptopsPDAsWalkmansTelfonos CelularesVdeo cmarasEdicin de vdeo (DD removibles)Etc.

Aritmetica & Unidad LogicaRealiza todos los calculosTodo en el computador est al servicio de esta unidadManeja los enterosPuede manejar numeros con punto flotante (numeros reales) FPU Puede estar en un chip separado (486DX +)

ALU Entradas y Salidas

Representacion de EnterosSolo se tiene 0 & 1 para representar todo.Los numeros positivos estn almacenados en binarioejemplo 41=00101001No hay signo menorNo hay punto decimal

Sign-MagnitudeEl bit mas significativo (bit de la izquierda) 0 es positivo1 es negativo+18 = 00010010 -18 = 10010010ProblemasSe necesitan los dos signos en aritmeticaDos representaciones de cero (+0 and -0)

Grafica Geometrica

Rango de NumerosComplemento de 8 bits+127 = 01111111 = 27 -1 -128 = 10000000 = -27Complemento de 16 bit +32767 = 011111111 11111111 = 215 - 1 -32768 = 100000000 00000000 = -215

ConversionNumeros Positivos se rellenan con ceros+18 = 00010010+18 = 00000000 00010010Numeros Negativos se rellenan con unos-18 = 10010010-18 = 11111111 10010010En el ejemplo observar bit significativo (bit de signo)

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