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Fundamentos de Informática

(Diseño Industrial)

E.U.P. Universidad de Sevilla

Capítulo 2 (apartados 2.1 a 2.5):

Arquitectura y Tecnología de Computadores

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BIBLIOGRAFIA

Bibliografía básica de referencia:

“Fundamentos de Informática para Ingeniería

Industrial”,

Fernando Díaz del Río et al.

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ÍNDICE

2.1 INTRODUCCIÓN

2.5 BUSES Características y tipos de señales

Clasificación de buses

Jerarquía de buses

2.2 EL PROCESADOR Estructura interna

Instrucciones

2.3 SUBSISTEMA DE MEMORIA Conceptos básicos

Jerarquía de memorias

Tecnología de Memorias Semiconductoras

2.4 SUBSISTEMA DE E/S Módulos de E/S

Gestión de E/S: sincronización

Periféricos

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INTRODUCCIÓN (1) Elementos de un Sistema Basado en Computador:

CPU ó PROCESADOR: único elemento activo que: Maneja datos e instrucciones.

Realiza operaciones: transferencia, aritméticas, lógicas, etc. (Posee un Juego de Instrucciones)

Se dice elemento activo porque recibe una serie de datos y genera otros diferentes.

MEMORIA: elemento (pasivo) que: Almacena datos/instrucciones, sin alterarlos, en un conjunto de

celdas, direccionables por el procesador, para lectura o escritura.

Capacidad de direccionamiento de una memoria: M=2n.

La capacidad se define en Kilobytes, Megabytes, ó Gigabytes.

Mapa de memoria de una CPU: datos, programas y E/S.

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INTRODUCCIÓN (2) SUBSISTEMA DE ENTRADA/SALIDA (E/S):

elemento que comunica el computador con el exterior. El computador ve el subsistema de E/S como un

conjunto de posiciones de memoria sobre las que se puede escribir o leer datos.

BUS DEL SISTEMA (BUS): elemento que comunica la CPU, MEMORIA y E/S.

CPU Memoria

E/S

Bus del sistema

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Características y tipos de

señales de buses (1) Los componentes de un computador (CPU,

Memoria, E/S) se conectan entre sí mediante un conjunto de líneas que transmiten señales con funciones específicas.

Tres tipos de señales que constituyen un bus: direcciones (de memoria o E/S), datos y control.

CPU Memoria no Volátil

para Arranque

Dispositivo E/S

Memoria de Datos y

Programas

Bus de Datos

Bus de Direcciones

Bus de Control

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Características y tipos de

señales de buses (2) Los buses se componen de líneas eléctricas que

transmiten un “0” (cero voltios) o un “1” (más de cero voltios).

Líneas/bus de datos: camino para transferir datos entre el resto de componentes de un computador. Su anchura (número de líneas eléctricas) suele ser una potencia de dos (8=23, 16=24, 32=25, 64=26, ...).

Líneas/bus de direcciones: designan la posición/dirección de los datos. Son salidas de la CPU/procesador y determinan capacidad de direccionamiento.

Líneas/bus de control: controlan el acceso y uso de las líneas/buses anteriores.

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Características y tipos de

señales de buses (3)

E/S

MEMORIA

CPU

BUS DE DIRECCIONES

BUS DE DATOS

CONTROL

CONTROL

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Tipos de buses:

SERIE y PARALELO: los primeros transmiten bit a bit y los segundos varios bits a la vez.

MULTIPLEXADOS y NO MULTIPLEXADOS ó DEDICADOS: los multiplexados realizan diferentes funciones en función de las necesidades del momento.

Ejemplo: bus compartido para direcciones y datos ahorro en Hardware y por lo tanto en costes.

CENTRALIZADOS y DISTRIBUIDOS (arbitración): necesidad de determinar qué elemento transmite y cuál recibe. Generalmente existe arbitración centralizada por la CPU ó procesador.

SÍNCRONOS y ASÍNCRONOS (temporización): cómo ocurren los diferentes eventos (comienzo, fin, ...) implicados en la transmisión de información. Utilización de una señal de reloj (comunicación síncrona) ó unas líneas de protocolo (comunicación asíncrona).

CLASIFICACIÓN DE BUSES

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JERARQUÍA DE BUSES (1) Compatibilidad entre buses:

sólo si son eléctricamente idénticos. Las características de los diferentes tipos de buses deben estar normalizadas. Ejemplo: bus PCI, AGP, USB, FireWire...

Antiguamente sólo existía un bus principal que lo conectaba todo: bus del sistema.

Actualmente existe un conjunto de buses conectados entre sí y formando una jerarquía.

Facilita la mejora del rendimiento de todo el computador al agrupar dentro de los diferentes tipos de buses aquellos componentes del ordenador que tienen aproximadamente la misma velocidad de transmisión de la información.

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JERARQUÍA DE BUSES (2)

Chipset

Bus PCI

Puente

“Sur”

Canales Audio

Puertos USB

Canales IDE

Interface Tarjeta Red

Puente

“Norte”

Tarjeta

Gráfica

Memoria

DDR-DRAM

Procesador Intel Pentium4

Memoria

Flash BIOS

Cache/

Adaptador

Serie FAX

LAN Video Gráficos Firewire SCSI

Memoria Principal

Procesador

Modem Interfaz con el bus de

expansión

Bus del sistema Bus local

Bus del sistema

Bus de expansión

Esquema típico de jerarquía de buses

en un ordenador. Los buses de arriba

son los más rápidos y el bus de

expansión el más lento.

2.6.1 Estructura básica de un PC. El

chip “Puente Sur” agrupa los buses

más lentos y el “Puente Norte” los

más rápidos.

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ESTRUCTURA INTERNA DEL

PROCESADOR (1)

La CPU lee secuencialmente instrucciones almacenadas en memoria.

Esas instrucciones provocan una serie de lecturas y escrituras sobre

datos también guardados en memoria.

Estructura Interna: componentes básicos:

Registro de instrucción (IR): guarda la instrucción que se va a ejecutar.

Contador de Programa (PC): registro con la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar Guía del programa.

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ESTRUCTURA INTERNA DEL

PROCESADOR (2)

Unidad de control (UC): parte más compleja. Regula todo el flujo interno de información CEREBRO de la CPU.

Unidad Aritmético Lógica (ALU): realiza operaciones aritméticas y lógicas básicas CORAZÓN de la CPU.

PALABRA DEL PROCESADOR: tamaño de la información que puede

manejar el procesador en paralelo. En el ejemplo de CPU: 16

bits = 2 bytes. Fijarse por ejemplo en los operandos y

resultado de la ALU (0000 en hexadecimal son 4x4=16 bits).

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ESTRUCTURA INTERNA DEL

PROCESADOR (3)

Registros generales: almacén a “corto plazo”. Datos intermedios. Su número depende del procesador en concreto.

Registros MAR (Memory Address Register): registro que almacena la dirección del dato o instrucción al que se está accediendo en memoria. En el caso de las instrucciones su valor se carga del registro PC.

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ESTRUCTURA INTERNA DEL

PROCESADOR (4) Registros MDR (Memory Data Register): primer registro donde se guarda el dato/instrucción de memoria y último registro donde se deja el dato que se escribirá en memoria Interfaz entre la memoria y el resto de registros de la CPU.

Otros registros temporales/auxiliares: para guardar datos intermedios que fluyen entre los registros generales y el resto de componentes de la CPU.

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ESTRUCTURA INTERNA DEL

PROCESADOR (5)

Otros registros especiales

(opcionales): pueden estar presentes o no en función del tipo de CPU. Ejemplo: Registro de Estado (SR) que guarda información de estado proveniente de la ALU.

Reloj: periódicamente llega a la unidad de control (UC) esta señal que ejecuta un paso de la instrucción que se esté ejecutando en la CPU. Cuanto más frecuente sea esta señal, más veloz será el procesador Frecuencia del procesador (Mega/Giga hercios)

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ESTRUCTURA INTERNA DEL

PROCESADOR (6)

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INSTRUCCIONES DEL

PROCESADOR (1)

Definen las operaciones que el procesador puede

realizar y su formato (parámetros).

Formato / Estructura:

código_de_operación + parámetros. Ejemplo:

Resultado de la operación: R7 = R0 + R4 (ADD R7, R0, R4)

Código

Instrucción

Op.1 Op.2 Op.3

Lenguaje Máquina

(Binario)

01 00000 111 000 100

Lenguaje Ensamblador

(Mnemotécnico)

ADD

(SUMAR)

R7 R0 R4

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INSTRUCCIONES DEL

PROCESADOR (2) Tipos:

Instrucciones de transferencia de datos (MOV): mueven datos dentro de la CPU ó entre la CPU y la memoria.

Instrucciones aritmético-lógicas (ADD, SUB, AND, OR, XOR, NOT, ...).

Instrucciones de control o salto (JMP, BNZ, ...): pueden cambiar el flujo secuencial de ejecución de instrucciones en un programa.

Ejemplo de programa de sólo tres instrucciones en código máquina:

Dirección Memoria Instrucción (Leng. Máquina) Traducción a Leng. Ensamblador

100 01 01 1000 0000 0000 (5800(16) CLR R0 ; R0 = 0

101 00 01 0000 0100 0000 (1040(16) MOV [R0], R2 ; [R0] = R2

102 01 01 0010 0000 0000 (5400(16) INC R0 ; R0 = R0 + 1

103 ..... .....

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INSTRUCCIONES DEL

PROCESADOR (3) Etapas internas de realización de una instrucción

cualquiera de las anteriores en la CPU: IF (Instruction Fetch), búsqueda de la instrucción En el

registro MAR se deja el contenido del registro PC. Con esta dirección se accede a memoria. Se obtiene la instrucción en el registro MDR y luego se mueve al registro IR.

ID (Instruction Decode), decodificación y búsqueda de operandos La UC lee el código de la instrucción del registro IR para saber qué hacer. Se determinan los operandos con los que se va a trabajar.

EX (Execution), ejecución de la instrucción. Puede incluir un acceso a memoria Entra en funcionamiento la ALU si es una instrucción aritmético-lógica o se accede a memoria a través de los registros MAR y MDR si es una instrucción de movimiento con un acceso (lectura/escritura) a datos de memoria.

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SUBSISTEMA DE MEMORIA (1)

Diversos tipos de memorias clasificadas por coste, estructura, tecnología, velocidad de acceso, ...

No existe memoria ideal: en un ordenador hay diversos tipos de memorias.

Conceptos básicos (clasificación):

UBICACIÓN de las memorias: CPU (registros), Interna (principal), Externa (secundaria)

CAPACIDAD: Tamaño y número de palabras (8 bits, 16 bits, 32 bits, ...) que se almacenan en memoria. Expresada en Kbytes, Mbytes ó Gbytes.

UNIDAD DIRECCIONABLE: número de bits identificables bajo una misma dirección de memoria. Si las direcciones a memoria enviadas por la CPU son de A bits y se tienen N unidades direccionables (palabras) entonces N=2A.

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SUBSISTEMA DE MEMORIA (2)

UNIDAD DE TRANSFERENCIA: Número de bits que se leen/escriben a la vez en memoria.

IMPLEMENTACIONES: semiconductores, soportes magnéticos,

soportes ópticos, soportes magnético-ópticos.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS: volatilidad, borrabilidad, coste por bit.

La memoria es siempre más lenta que el procesador ó CPU.

Las memorias con menor tiempo de acceso (rápidas) son caras y tienen poca capacidad.

Solución: organización de memorias de forma que el rendimiento global se acerque al ideal Jerarquía de memoria.

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JERARQUÍA DE MEMORIA

CINTA MAGNÉTICA DISCO OPTICO

DISCO MAGNÉTICO

CACHE DE DISCO

MEMORIA PRINCIPAL

CACHE

REGISTROS- Capacidad

+ Velocidad

+ Coste

+ Capacidad

- Velocidad

- Coste

+ nº accesos

- nº accesos

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Almacenan la información en circuitos semiconductores operaciones electrónicas.

Volátiles: lectura/escritura (R/W) y acceso aleatorio RAM estática ó SRAM: utilizadas en memorias caché dentro de

los chips de los procesadores para ganar en rapidez y eficiencia. Varios Kbytes.

RAM dinámicas ó DRAM: varios tipos como la SDRAM y la DDR-SDRAM ó DDR. Varios Mbytes o incluso Gbytes.

No volátiles: sólo lectura y acceso aleatorio. Utilizadas por ejemplo en la BIOS (y arranque) de un PC. ROM: programadas (escritas) en fábricas.

PROM: programables (escribibles) una sola vez.

EPROM: borrables mediante luz ultravioleta.

EEPROM: borrado electrónico (BIOS).

FLASH EPROM: iguales que EEPROM con más fácil borrado.

TECNOLOGÍA DE

MEMORIAS SEMICONDUCTORAS

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SUBSISTEMA DE E/S (1)

El ordenador se comunica con el mundo exterior mediante periféricos. Estos se componen de: Dispositivo externo o de E/S (ej. monitor, teclado, ratón, ...)

Módulo de E/S (ó controlador) a modo de adaptador.

¿Por qué no conectar directamente los dispositivos externos al bus que comunica la CPU y la memoria?

Problema: control y velocidades diversas, tamaño de datos diferente Necesidad de hacer una adaptación.

MÓDULO DE E/S ó Controlador (adaptador):

Permite comunicación CPU-Periféricos.

Son genéricos: un módulo de E/S puede gestionar dispositivos externos de varios fabricantes Interfaz entre CPU y dispositivos externos.

A veces pueden ser incluso auténticos procesadores.

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SUBSISTEMA DE E/S (2)

Estructura interna: Registro de DATOS: escribir o leer datos.

Registro de CONTROL: indicaciones y órdenes al dispositivo.

Registro de ESTADO: información sobre estado dispositivo.

Módulo E/S

Reg. datos

Reg. control

Reg. estado

Reg. datos

Lógica de adaptación al

dispositivo

Dispositivo de E/S

(Dispositivo

Externo)

Bus

del

sis

tem

a

Lógica de

pegado dirección

datos

Selección registro

control

(NOTA: dependiendo del autor a veces al

dispositivo externo o de E/S se le llama también

periférico.)

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SUBSISTEMA DE E/S (3)

Acceso al módulo de E/S (¿cómo accede la CPU a los registros de un módulo de E/S?):

E/S común o mapeada en memoria La CPU ve los registros del controlador ó módulo de E/S como una extensión de la memoria. No hace diferenciación, todo es memoria. Ejemplo: la mayoría de los procesadores salvo 80x86.

E/S aislada o separada La CPU tiene instrucciones especiales para acceder a los periféricos. Se distingue entre un acceso a datos de memoria y un acceso a datos de un periférico. Ejemplo: procesadores 80x86 (pentium)

Bus del sistema

PERIFÉRICO A

(dispositivo externo A)

CPU

MEMORIA

Módulo 1 de E/S

Módulo 2 de E/S

PERIFÉRICO B

(dispositivo externo B)

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E/S programada o por encuesta („polling‟) La CPU inicia y realiza la transferencia.

La CPU interroga constantemente al registro de estado del módulo de E/S para saber si tiene datos o si está listo para la transmisión de nuevos datos.

Inconveniente: malgasta tiempo de proceso en comprobar continuamente el estado del periférico.

Interrupciones La CPU realiza la transferencia a petición del periférico.

El módulo de E/S inicia la transferencia con una petición de interrupción Línea/Bus a la CPU desde los periféricos.

La CPU responde parando la ejecución normal del programa que estuviera procesando y lanza un subprograma que gestiona la petición de transferencia Rutina de atención a la interrupción.

GESTIÓN DE LA E/S:

sincronización (1)

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Tipos de interrupciones según su mecanismo de

activación:

Hardware (se activa línea eléctrica del bus)

Software (se activa por la ejecución de una instrucción)

GESTIÓN DE LA E/S:

sincronización (2)

Acceso directo a memoria (DMA)

El módulo de E/S realiza la transferencia.

La CPU programa el DMA, que es como un pequeño procesador, para que realice transferencias de datos masivas.

En un PC los periféricos interrumpen

por la misma línea INT. La CPU

responde con la señal INTA y a

continuación el periférico deja en el

bus de datos la dirección del

subprograma que debe gestionar la

petición de interrupción.

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Tipos más usuales presentes en un PC:

Unidad de discos varias

Monitores (tipos CRT y TFT)

Teclados

Ratón (mecánicos, ópticos, inalámbricos)

Impresoras y Plotters

Modems y dispositivos de red

Scanners y cámaras de video

CDROM y DVD

PERIFÉRICOS

(dispositivos externos)