REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA

DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANAUNEFA

NÚCLEO DE SUCRE- SEDE CUMANÁ

UNIDAD II. EL COMPUTADOR

ORGANIZACIÓN FUNCIONAL DE UN COMPUTADORCPU: La unidad central de proceso (CPU), procesador o microprocesador, es el verdadero cerebro del ordenador. Su misión consiste en controlar y coordinar todas las operaciones del sistema. Para ello extrae, una a una, las instrucciones del programa que está en la memoria central del ordenador (memoria RAM), las analiza y emite las órdenes necesarias para su completa realización.

La unidad central de proceso, procesador central o CPU (Central Process Unit) constituye el componente más importante de cualquier placa base.

La CPU gestiona cada paso en el proceso de los datos. Actúa como el conductor de supervisión de los componentes de hardware del sistema. Está unida directa o indirectamente con todos los demás componentes de la placa principal (placa base o placa madre). Muchos grupos de componentes reciben instrucciones y son activados de forma directa desde la CPU.

El procesador está equipado con buses de direccionamiento, de datos y de control, que le permiten llevar a cabo sus tareas. La configuración y la capacidad del procesador son los factores que determinan el rendimiento general del ordenador personal. Un factor importante para determinar la prestación de un procesador es su frecuencia de reloj o su velocidad de trabajo. MegaHercios (MHz)

HISTORIALa CPU moderna evolucionó a partir de los transistores en miniatura y circuitos integrados desarrollados en la década de 1960 por IBM y otras compañías importantes de tecnología de la época. A principios de 1970, los circuitos integrados se estaban fabricando comercialmente y los ingenieros basaron las CPU en dicha tecnología. Aprovechando las capacidades de transmisión de los circuitos integrados, les añadieron la capacidad de procesar información y capacidad de memoria. La combinación de estos elementos se convirtió en el núcleo de la CPU. Al final de los años 1970, la tecnología había alcanzado el punto donde las CPU podrían ser producidas comercialmente y eran de un tamaño muy

pequeño. Durante los '80, las CPU se convirtieron en un componente estándar en la electrónica de consumo. Se podían encontrar en las cámaras, televisores y calculadoras de bolsillo. Para la siguiente década, el pequeño tamaño y costo de producción económico de la CPU permitió que las computadoras cruzaran desde la industria hasta el hogar. Hoy en día, los ingenieros continúan mejorando las CPU, haciéndolas cada vez más pequeñas y potentes.

PARTES DE LA CPU Y SU PROCESOLa CPU se compone de seis elementos claves que trabajan en combinación para procesar y ejecutar comandos. En primer lugar, la unidad de control es el cerebro de la CPU. Esta parte recibe los datos de entrada y decide dónde enviar la información procesada. En segundo lugar, el caché de instrucciones es donde se almacenan las instrucciones de la unidad de control. Los datos específicos de instrucción se cargan en la CPU al momento de fabricarla. En tercer lugar, la unidad de captación previa es el portal de información. Los datos de entrada pasan a través de la captación previa, que almacena una copia de los datos antes de enviarlos a ser procesados por la unidad de control. En cuarto lugar, la unidad de decodificación traduce la instrucción de entrada en código binario, que luego se envía al quinto componente, la unidad lógica aritmética. La ALU (por sus siglas en Inglés) recibe el código de la unidad de decodificación y elige la acción necesaria para llevar a cabo el comando. La sexta es la memoria caché de la CPU. Aquí, se almacena toda la información que ha sido enviada, recibida o precargada.

TIPOSExisten diferentes tipos de CPU, cada tipo viene con diferentes grados de velocidad de memoria e instrucciones preestablecidas. Cuanto más grande sea la CPU, más rápido puede procesar, almacenar y ejecutar comandos. Una CPU de un solo núcleo es la unidad más pequeña disponible. Se encuentra generalmente en pequeños aparatos que sólo realizan un simple conjunto de acciones tales como un control remoto o un juguete. Las CPU de doble núcleo contienen dos unidades de mando y contienen suficiente energía y memoria para las computadoras personales. Las CPU multinúcleos contienen varias unidades de comandos. Ellas son utilizadas principalmente por grandes dispositivos electrónicos industriales, servidores y estaciones de trabajo de red.

TAMAÑOEl tamaño de la CPU se refiere al poder de la unidad para realizar tareas y la cantidad de espacio de memoria que contiene. El tamaño de la CPU se mide en dígitos binarios y se llaman bits. Originalmente, las CPU contenían cuatro bits, pero las modernas tienen ocho. Las CPU de ocho bits son los componentes modernos más pequeños y lentos disponibles y se utilizan sobre todo en juguetes o electrodomésticos. Las de 16 y 32 bits se han convertido en el tamaño estándar de CPU y se pueden encontrar en computadoras personales, computadoras portátiles, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos

que pueden realizar una variedad de tareas. Las CPU de sesenta y cuatro bits son cada vez más populares en la gama alta de computadoras personales y portátiles. Existen las CPU más grandes, las cuales se utilizan generalmente para fines industriales.

DESCRIPCIÓN DE BLOQUES FUNCIONALES

UNIDAD ARITMETICA – LÓGICALa unidad aritmética-lógica, también conocida por sus siglas ALU (aritmética and logic unit) es el dispositivo, parte del microprocesador, encargado de ejecutar los procesos ordenados por las instrucciones, siempre que sean cálculos aritméticos o comparaciones lógicas; o lo que es lo mismo, efectúa los cálculos necesarios para el desarrollo del programa.

La unidad aritmética- lógica solo realiza las cuatro operaciones fundamentales de suma, resta, multiplicación y división, así como simples comparaciones entre cantidades (mayor o menor, igual o no, comparaciones con cero, etc), que permiten al equipo, según el resultado de las comparaciones efectuadas, elegir entre varias posibilidades preestablecidas.

La ALU para cumplir su cometido, posee una serie de circuitos con finalidades concretas. Los más importantes son:

1. Los registros, que son verdaderas pequeñas memorias cuya misión empieza y termina al almacenar los datos que van a intervenir en las operaciones del cálculo.

2. Circuitos operacionales, que son los encargados de realizar los cálculos.

Para que la ALU pueda realizar una operación aritmética tiene que recibir el microprocesador los siguientes datos:

1. Código de la operación a realizar.2. Direcciones de las posiciones de memoria central en donde se encuentran los datos

que intervienen en el cálculo, llamados genéricamente operandos.3. Dirección de la posición que recogerá el resultado.

UNIDAD DE CONTROLLa unidad de control (UC), tiene como misión la sincronización de todo el proceso. Dirige y coordina todas las operaciones solicitadas por las instrucciones. Incluye el control de los dispositivos de entrada y salida, la extracción de datos de la memoria principal, circulación de los mismos entre ella y la unidad aritmética-lógica, control de secuencias, control de que ninguno de los elementos reciba una tarea mientras esté ocupado con otra, etc.

Mediante esta unidad se consigue el funcionamiento automático e integrado de todo el conjunto hardware.

La unidad de control, para realizar su relevante función, dispone de dos registros, entre otros dispositivos, que por su importancia detallamos a continuación:

1. Contador de instrucciones, también conocido como contador de programa u ordinal. Este registro contiene siempre la dirección en donde se encuentra la próxima instrucción del programa a ejecutar. Al inicio de un trabajo se carga con el número de la primera orden a complementar y, al leerla, aumenta en una unidad su contenido, realizando este incremento secuencialmente, a excepción de los casos de ruptura de dicha secuencia como resultado de una comparación.

2. Registro de instrucciones, que contiene la instrucción extraída de la memoria dispuesta a ser ejecutada.

Además dispone de otro dispositivo importante, el reloj, es un generador de secuencias o secuenciador que, a intervalos perfectamente regulares, genera impulsos eléctricos que marcan el ciclo máquina. La ejecución de todas las operaciones elementales requiere un tiempo múltiplo de este ciclo, aunque algunas instrucciones dependiendo del microprocesador, pueden realizarse en un solo ciclo o impulso de reloj.

Mediante la sincronización que proporciona el reloj y consumiendo los ciclos de máquina que necesite, la unidad de control realiza las siguientes funciones:

1. Determina la secuencia en que deben ejecutarse las instrucciones.2. Interpreta la instrucción a ejecutar y encarga la materialización de tal ejecución a la

ALU, si es de tipo aritmético o lógico, o un bus, si es de entrada o salida de datos.3. Se encarga de establecer la comunicación entre la ALU y la memoria principal a

través de los registros.

REGISTROSAdicionalmente, la unidad central de procesamiento cuenta con una pequeña memoria para efectuar cálculos intermedios a alta velocidad. A las posiciones de esta memoria se les suele denominar Registros generales o simplemente registros, y son una parte muy importante de la unidad central de procesamiento. De hecho, la mayoría de las instrucciones que se definen para una determinada unidad de procesamiento operan sobre estos registros ya que la unidad lógico-aritmética suele estar conectada directamente a ellos.

ESTRUCTURA DE BUSES

BUS: representa básicamente una serie de cables mediante los cuales pueden cargarse datos en la memoria y desde allí transportarse a la CPU. Por así decirlo es la autopista de los

datos dentro del pc, ya que comunica todos los componentes del ordenador con el microprocesador. El bus se controla y maneja desde la CPU.

Hay tres clases de buses: Bus de Datos, Bus de Direcciones y Bus de Control. El primero mueve los datos entre los dispositivos del hardware: de Entrada como el Teclado, el Escáner, el Ratón, etc.; de salida como la Impresora, el Monitor o la tarjeta de Sonido; y de Almacenamiento como el Disco Duro, el Diskette o la Memoria-Flash.

Estas transferencias que se dan a través del Bus de Datos son gobernadas por varios dispositivos y métodos, de los cuales el Controlador PCI, "Peripheral Component Interconnect", Interconexión de componentes Periféricos, es uno de los principales. Su trabajo equivale, simplificando mucho el asunto, a una central de semáforos para el tráfico en las calles de una ciudad.

El Bus de Direcciones, por otra parte, está vinculado al bloque de Control de la CPU para tomar y colocar datos en el Sub-sistema de Memoria durante la ejecución de los procesos de cómputo,

El Bus de Control transporta señales de estado de las operaciones efectuadas por el CPU con las demás unidades.

 Una PC tiene muchos tipos de buses incluyendo los siguientes:

Processor Bus: Es la vía de comunicación entre el CPU y los chips inmediatos al, comúnmente llamado chipset en los sistemas modernos. Este bus es usado para transferir datos entre el CPU y bus del sistema principal, por ejemplo, o entre el cpu y la memoria caché externa. El propósito de processor bus es conseguir mayor velocidad en la entrega de la información para y del CPU, este bus opera a una mayor rapidez que cualquier otro bus en la PC.

En este bus no existen los cuellos de botellas, el bus consiste de circuitos eléctricos para datos, dirección y control. Este bus opera con la misma velocidad del reloj a como lo hace el CPU externamente, ya que internamente el CPU puede trabajar a mayores velocidades.

Memory Bus: Es usado para transferir información entre la memoria principal y el CPU. Este bus es implementado en un chip dedicado, el cual es responsable de la comunicación. La información que viaja sobre el memory bus se hace a una velocidad más baja que en el processor bus.

Este bus tiene el mismo ancho que el processor bus, esto significa que en un sistema con CPU de 32 bits el memory bus es de 32 bits, esto definirá el tamaño de lo que se conoce como banco de memoria. Los slots para la memoria son conectados en el memory bus de la misma forma que son conectados los slots de E/S Bus.

Address Bus: En los sistemas actuales, este bus es considerado como parte de los buses del procesador y de la memoria. Este bus es usado para indicar exactamente que dirección en memoria o que dirección sobre el bus de sistema será usada en la operación de transferir un dato. El tamaño del bus de memoria controla la cantidad de memoria que el CPU puede direccionar directamente.

I/O Bus: Son los buses que se encargan de la entrada y salida de los datos en todo el sistema. Las diferencias entre los tipos de buses que pertenecen a esta categoría consiste en la cantidad de datos que pueden transferir a la vez y la velocidad a la que pueden hacerlo.

Los buses permiten la comunicación entre las distintas unidades funcionales, de manera que la información pueda fluir entre ellas, y de esta forma definen los caminos que pueden seguir los datos.

TIPOS DE UNIDAD DE CONTROL

Existen dos tipos de unidades de control

Las cableadas

Usadas generalmente en máquinas sencillas donde sus componentes principales son el circuito de lógica secuencial, el de control de estados, el de lógica combinacional, y el de emisión de reconocimiento de señales de control

Sistema secuencial

En los sistemas secuenciales, los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también dependen del estado anterior o estado interno. El sistema secuencial más simple es el biestable, de los cuales, el de tipo D (o cerrojo) es el más utilizado actualmente.

La mayoría de los sistemas secuenciales están gobernados por señales de reloj. A éstos se los denomina "síncronos" o "sincrónicos", a diferencia de los "asíncronos" o "asincrónicos" que son aquellos que no son controlados por señales de reloj.

A continuación se indican los principales sistemas secuenciales que pueden encontrarse en forma de circuito integrado o como estructuras en sistemas programados:

Contador Registros

En todo sistema secuencial nos encontraremos con:a) Un conjunto finito, n, de variables de entrada (X1, X2,..., Xn).b) Un conjunto finito, m, de estados internos, de aquí que los estados secuenciales también sean denominados autómatas finitos. Estos estados proporcionarán m variables internas (Y1,Y2,..., Ym).c) Un conjunto finito, p, de funciones de salida (Z1, Z2,..., Zp).

Dependiendo de como se obtengan las funciones de salida, Z, los sistemas secuenciales pueden tener dos estructuras como las que se observan en la siguiente figura, denominadas Máquina de Moore, identificada como a), y Máquina de Mealy, identificada como b).

Estructuras de bloque de un autómata de Moore, a), y un autómata de Mealy, b)

Sistema combinacional (Redirigido desde Lógica combinacional)

Se denomina sistema combinacional o lógica combinacional a todo sistema digital en el que sus salidas son función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso estados anteriores de las entradas o de las salidas. Las funciones (OR, AND, NAND, XOR) son booleanas (de Boole) donde cada función se puede representar en una tabla de la verdad. Por tanto, carecen de memoria y de retroalimentación.

En electrónica digital la lógica combinacional está formada por ecuaciones simples a partir de las operaciones básicas del álgebra de Boole. Entre los circuitos combinacionales clásicos tenemos:

Lógicos

Generador/Detector de paridad Multiplexor y Demultiplexor Codificador y Decodificador Conversor de código Comparador

Aritméticos

Sumador

Aritméticos y lógicos

Unidad aritmético lógica

Estos circuitos están compuestos únicamente por puertas lógicas interconectadas entre sí.

Funciones combinacionales

Todos los circuitos combinacionales pueden representarse empleando álgebra de Boole a partir de su función lógica, generando de forma matemática el funcionamiento del sistema combinacional. De este modo, cada señal de entrada es una variable de la ecuación lógica de salida. Por ejemplo, un sistema combinacional compuesto exclusivamente por una puerta AND tendría dos entradas A y B. Su función combinacional seria F = A . B, para una puerta OR sería F = A + B. Estas operaciones se pueden combinar formando funciones más complejas. Así, el siguiente esquema se define por la función indicada debajo del mismo.

Las microprogramadas

Propias de máquinas más complejas, donde la microprogramación de la unidad de control se encuentra almacenada en una micromemoria, a la cual se accede de manera secuencial para posteriormente ir ejecutando cada una de las microinstrucciones.

Los microprocesadores "microprogramados": son aquellos que tienen una unidad de control genérica o prediseñada y que implementan un juego de instrucciones u otro dependiendo de un microprograma.

Hoy día la microprogramación ha desaparecido prácticamente por completo. Esto se debe a los siguientes factores:

Ya existen herramientas avanzadas para diseñar complejas unidades de control con millones de transistores litografiados. Estas herramientas prácticamente garantizan la ausencia de errores de diseño.

Las unidades de control cableadas tienen un rendimiento significativamente mayor que cualquier unidad microprogramada, resultando más competitivas.

En un tiempo, las unidades de control para los CPU eran lógica ad hoc, y eran difíciles de diseñar. Éstas pueden identificarse como la parte principal del computador y del dispositivo principal que ayuda al computador a funcionar de una manera apropiada. Es construida de puertas lógicas, flip-flop, circuitos codificadores, circuitos decodificadores, contadores digitales y otros circuitos digitales. Su control está basado en una arquitectura fija, es decir, que requiere cambios en el cableado si el conjunto de instrucciones es modificado o cambiado. Esta arquitectura es preferida en los computadores RISC pues consiste en un conjunto de instrucciones más pequeño.

Las unidades de control cableado son implementadas por medio de unidades de lógica secuencial ofreciendo un número finito de puertas que pueden actuar como generadores de resultados específicos, basada en las instrucciones que fueron usadas para invocar esas respuestas. Estas instrucciones son evidentes en el diseño de la arquitectura, pero también pueden ser representadas de otras maneras

Palabra de control: Es una palabra binaria cuyos bits indican los valores de las señales de control de la máquina. También recibe el nombre de microinstrucción.

ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN COMPUTADOR DIGITAL

Ciclos de máquina de un computador digital

Es el proceso mediante el cual la CPU realiza acciones para ejecutar en forma secuencial las instrucciones almacenadas en las localidades de memoria. Entendiéndose por proceso ó acciones los “ciclos de máquina”:

Búsqueda de la instrucción Decodificación de la instrucción Ejecución de la instrucción

Descripción general de los ciclos de máquina

A continuación se presentan los diferentes ciclos de maquina

Ciclo de búsqueda de la instrucción

Es un procedimiento realizado por la CPU mediante una serie de pasos tal como se presentan en forma consecutiva:1. Coloca el contenido del contador en el bus de dirección2. Envía las señales de control requeridas para leer el código de la instrucción

a ejecutar

3. La memoria coloca entonces en el bus de datos el contenido de la localidad pedida, el cual es leído y almacenado en el registro de instrucción

4. Decodifica el contenido del registro de instrucción y decide cuales pasos han de seguirse en la ejecución

Nota:

a) Si la instrucción a ser ejecutada sólo requiere hacer operaciones aritméticas o lógicas entre registros internos de la CPU, o transferencia de información entre ellos, entonces la ejecución es realizada inmediatamente después de la búsqueda

b) Si la instrucción pide realizar operaciones con datos que se encuentran o han de ser puestos en localidades de memoria o en dispositivos de E/S, entonces deberá realizarse

b.1 Ciclo de lectura de memoria

b.2 Escritura en memoria

b.3 Lectura de puerto de entrada

b.4 Escritura de puerto de salida

ó

b.5 Una combinación formada por varios de estos ciclos

Esquema del Ciclo búsqueda de la instrucción

CPUBus de dirección

Dirección de localidad de la instrucción

CPContador del programa

Unidad de Control

Registro de instrucción

Bus de control

Controla las acciones durante la búsqueda

Bus de datos

MEMORIA

Código de la instrucción

Proceso de búsqueda de la instrucción:

1. Envío de señales por los buses de dirección, control y recepción del código de instrucción

2. Incremento del contador de programa y decodificación

Ciclo de lectura en Memoria

En este ciclo la CPU

a) Lee el contenido de una nueva localidad de memoriab) Una vez leído lo almacena en un registro interno diferente al registro de

instrucción

Acciones del Ciclo:

1. Envío del contenido de un registro de dirección, hacia el bus de direcciones y generación de las señales de control necesarias para obtener el contenido de la localidad de memoria requerida

2. Transferencia a través del bus de datos del contenido de la localidad requerida hacia un registro diferente al registro de instrucción

CPU Bus de dirección

Control

Bus de datos

MEMORIA

Contador del programa CP+1

Unidad de Control Decodificador

Registro de instrucción

Esquema del ciclo de lectura en memoria

Ciclo de escritura en Memoria

En este ciclo el contenido de un registro interno, frecuentemente el acumulador, es escrito en una localidad externa de memoria

Acciones del Ciclo

1. Envío del contenido de un registro de dirección hacia el Bus de dirección 2. Envío del contenido de un registro interno hacia el bus de datos y generación de las

señales de control necesarias para la transferencia de información hacia la localidad de memoria requerida

Esquema del ciclo de escritura en memoria

3.

CPU Bus de Dirección

Control

Bus de datos

MEMORIA

Registro de dirección

Unidad de Control

Registro

Dirección de la Localidad donde está el dato

Leer en memoria

Dato

CPU Bus de Dirección

Control

Bus de datos

MEMORIA

Registro de direcciónUnidad de Control

Registro

Dirección de la Localidad donde el dato es

guardado

Dato

Escribir en memoria

Ciclo de lectura en el puerto de entrada

La CPU en general lee la información que se encuentra en el puerto de entrada y la almacena en un registro interno

Acciones del ciclo

La CPU

1. Envía el contenido de un registro de dirección hacia el bus de dirección y generación de señales de control necesarias para obtener la información del puerto de entrada

2. Transfiere a través del Bus de datos la información entregada por el puerto hacia un registro interno generalmente el acumulador

Esquema ciclo de lectura en el puerto de entrada

Ciclo de escritura en el puerto de salida

En este ciclo la información se encuentra en un registro interno de la CPU y es entregado al puerto de salida

Acciones del ciclo

1. Envío del contenido de un registro de dirección hacia el bus de dirección

CPUBus de Dirección

Control

Bus de datos

PUERTO DE ENTRADA

Registro de dirección

Unidad de Control

Registro “ Acumulador”

Dirección del puerto donde está el dato

Leer en el puerto

Dato

Entrada de dato

2. Envío del contenido de un registro interno hacia el bus de datos y generación de señales de control necesarias para la transferencia de información hacia el puerto de salida

Esquema del ciclo de escritura en memoria

4.5.6.7.

Es importante acotar que los ciclos de máquinas van a depender de las CPUs diseñadas y usadas para eventos especiales como por ejemplo los efectuados después de haber activado señales de entrada de control que requieren detener el sistema momentáneamente, interrumpir la secuencia normal de ejecución, etc .

Para un estudio profundo de las secuencias de ejecución de máquina de un CPU, las fuentes de información más apropiadas, son las especificaciones e informaciones técnicas suministradas por el fabricante

ESQUEMA DE COMPATIBILIDAD Y OPTIMIZACIÓN

Jerarquía de memoria

La jerarquía de memoria es la organización piramidal de la memoria en niveles que tienen las computadoras. El objetivo es conseguir el rendimiento de una memoria de gran velocidad al coste de una memoria de baja velocidad, basándose en el principio de cercanía de referencias.

CPU Bus de Dirección

Control

Bus de datos

PUERTO DE SALIDA

Registro de dirección

Unidad de Control

Registro interno

Dirección del puerto donde escribir el dato

Dato

Escribir en puerto

Salida de dato

Memoria Principal o Primaria (RAM – ROM)

En la Memoria Principal o Primaria de la computadora se encuentran las memorias RAM, ROM y CACHÉ.

La Memoria RAM (Random Access Memory o Memoria de Acceso Aleatorio) es un circuito integrado o chip que almacena los programas, datos y resultados ejecutados por la computadora y de forma temporal, pues su contenido se pierde cuando esta se apaga. Se llama de acceso aleatorio - o de acceso directo - porque se puede acceder a cualquier posición de memoria sin necesidad de seguir un orden. La Memoria RAM puede ser leída y escrita por lo que su contenido puede ser modificado.

La Memoria ROM (Read Only Memory o Memoria de sólo lectura) viene grabada en chips con una serie de programas por el fabricante de hardware y es sólo de lectura, por lo que no puede ser modificada - al menos no muy rápida o fácilmente - y tampoco se altera por cortes de corriente. En esta memoria se almacenan los valores correspondientes a las rutinas de arranque o inicio del sistema y a su configuración.

La Memoria Caché o RAM Caché es una memoria auxiliar de alta velocidad, que no es más que una copia de acceso rápido de la memoria principal almacenada en los módulos de

RAM.

Memoria Secundaria (Disco Duro, Disco Flexibles, etc.)

La Memoria Secundaria (también llamada Periférico de Almacenamiento) está compuesta por todos aquellos dispositivos capaces de almacenar datos en dispositivos que pueden ser internos como el disco duro, o extraíble como los discos flexibles (disquetes), CDs, DVDs, etc