arquitectura de computadoras.pptx

Mapa Conceptual

Computadora.

Su evolución Se conforma Tiene sus orígenes

Generaciones de computadoras

Software Hardware

Modelo Von Neuman

Primera

Segunda

Tercera

CuartaSe clasifica

Memoria Interna y Externa

Dispositivos de Entrada/Salida

Emplea

Códigos de Texto

Para comunicarse

Tipos de Microprocesador

es

Bulbos

Transistores

Circuitos Integrados

Procesadores

1.- ARQUITECTURA DE CÓMPUTO

1.1 Modelos de arquitecturas de cómputo

El porque de la arquitectura de computadoras.

No ver a la computadora como una caja que ejecuta programas mágicamente.

Comprender y valorar los componentes de una computadora sus características, funcionamiento e interacciones.

Para estructurar un programa de forma eficiente.

Seleccionar los dispositivos y los sistemas que se van a usar.

Seleccionar la computadora con la mejor relación calidad precio. (Memoria caché, velocidad de reloj, etc.)

Definición

Atributos o características de un sistema que son visibles para el programador.

Puede sobrevivir muchos años

Incluye aspectos como: El tamaño de los diferentes tipos de datos Tipos de operaciones Mecanismos de entrada/salida (E/S) Direccionamiento de memoria.

Ejercicio.

Realizar un mapa conceptual donde se ilustre el concepto de arquitectura de computadoras.

Realizar un cuadro sinóptico de los elementos que integran una computadora: dispositivos de entrada, salida, y memoria.

MODELOS DE ARQUITECTURAS DE CÓMPUTO.

Se caracterizan por: Incremento de velocidadDisminución de tamaño de los componentes.Aumento del tamaño de la memoria.Aumento de capacidad de entrada/salidaOrganización del procesador.

1.1.1 ARQUITECTURA CLÁSICA:

Características

Se desarrollo en las primeras computadoras (electromecánicas y de tubos de vacío)

Fue diseñado por Jhon Von Newman que consta de los siguientes elementos:

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

Su desventaja es el bus de datos y direcciones es único (toda la información que se lee o escribe se pasa a la memoria lo que ocasiona un cuello de botella).

Los datos y los programas se almacenan en la memoria antes de ser utilizados obligando a que todos los accesos a esta sean secuenciales.

Dispositivos de Entrada

Un dispositivo de entrada le permite comunicarse con una computadora .puede utilizarlo para ingresar información y emitir comandos.

Teclado, Mouse Joystick

Dispositivo Salida

Permite a una computadora comunicarse. Estos dispositivos muestran la información en una pantalla , crean copias impresas o generan sonidos .

Monitor , Impresora y Bocinas.

Procesador

La unidad central de proceso (CPU) procesa instrucciones , realiza cálculos y administra el flujo de información a través de un sistema de computación .También se comunica con los dispositivos de entrada y salida y almacenamiento para realizar diferentes tareas.

Se divide en:

Unidad de control (C.U.) Genera señales de control para leer el código de las instrucciones, decodificarlas y hacer que la ALU las ejecute.

Unidad lógica aritmética (ALU) proporciona la capacidad de realizar operaciones.

Registros para almacenar internamente datos y estados del procesador.

Almacenamiento

Se utiliza para colocar información en medios de almacenamiento .La computadora emplea la información almacenada en esos medios para realizar tareas.

Unidades de disco duro , Disquetes , Cd-rom Dvd-rom. Memoria USB

Arquitectura Harvard

El programa se almacena como un código numérico en la memoria, pero no en el mismo espacio ni en el mismo formato que los datos.

Cuenta con un bus para el programa y otro para los datos que permite que se lea una instrucción al mismo tiempo que le de la memoria de datos los operados de la instrucción previa.

Se elimina el cuello de botella.

1.1.2 ARQUITECTURA SEGMENTADAS

Características

Realiza paralelamente varias etapas del ciclo de instrucción al mismo tiempo.

B1 E1 B2 E2 B3 E3

Unidad de búsqueda

Cola de Instrucciones

Unidad de ejecución

1.1.3 ARQUITECTURAS DE MULTIPROCESAMIENTO.

Características

Varios procesadores trabajan con la misma memoria, esto permite que se realicen varios procesos con una velocidad mucho mayor, también pueden intercambiar procesos entre ellos.

Las siglas SMP (multiprocesamiento simétrico o multiprocesador simétrico) hacen referencia a la arquitectura en la que todos los procesadores acceden a la misma memoria compartida.

Las CPU de multiprocesamiento se clasifican de la siguiente manera:● SISO – (Single Instruction, Single Operand ) computadoras independientes● SIMO – (Single Instruction, Multiple Operand ) procesadores vectoriales● MISO – (Multiple Instruction, Single Operand ) No implementado● MIMO – (Multiple Instruction, Multiple Operand ) sistemas SMP, Clusters

1. ARQUITECTURAS DE CÓMPUTO

1.2 Análisis de los componentes

1.2.1 CPU (UNIDAD CENTRAL DE PROCESO)

Definición

Elemento fundamental de la computadora

Se realizan las operaciones de cálculo

Controla los componentes conectados a el y que le dan apoyo

Controla y gestiona el tráfico de datos entre la unidad central y los periféricos

Se divide en: Unidad de control Unidad aritmético lógica Registros

Diagrama de CPU

Arquitecturas.

Áreas principales a cubrir en el diseño del procesador: La arquitectura: Es lo que hace la diferencia

entre el rendimiento de una CPU y otra La tecnología de proceso: Se refiere a los

materiales y técnicas utilizadas en la fabricación del circuito integrado

El encapsulado: Se refiere a cómo se integra un procesador con lo que lo rodea en un sistema funcional, que de alguna manera determina la velocidad total del sistema

Arquitecturas.

CISC (complex instruction set computer) Computadoras con un conjunto de instrucciones complejo.

RISC (reduced instruction set computer) Computadoras con un conjunto de instrucciones reducido.

Arquitecturas.

Los atributos complejo y reducido describen las diferencias entre los dos modelos de arquitectura para microprocesadores solo de forma superficial.

En principio, parece que la tecnología CISC es mucho más ventajosa que la RISC. Pero no es así:

Un micro CISC tarda mucho tiempo en ejecutar cada una de esas instrucciones.

En cambio un micro RISC, como sólo entiende unas cuantas, su diseño interno le permite ejecutarlas en muy poco tiempo, a una gran velocidad, mucho más rápido que un microprocesador CISC.

Arquitecturas CISC

Tienen un conjunto muy amplio de instrucciones y permite operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos.

Dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples, llamadas generalmente microinstrucciones. Las cuales son decodificadas internamente y ejecutadas con una serie de microinstrucciones almacenadas en una ROM interna. Para esto se requieren de varios ciclos de reloj (al menos uno por microinstrucción).

Arquitecturas CISC

Pertenecen a la primera corriente de construcción de procesadores.

Ejemplos de ellos son: Motorola 68000, Zilog Z80 y toda la familia Intel x86

Para realizar una sola instrucción requiere de cuatro a diez ciclos de reloj.

Entre las ventajas de CISC destacan las siguientes: Reduce la dificultad de crear compiladores. Permite reducir el costo total del sistema. Reduce los costos de creación de software. Mejora la compactación de código. Facilita la depuración de errores.

Arquitectura RISC

Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos.

Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos.

El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria.

Traducen instrucciones basadas en CISC x86 a instrucciones más simples basadas en RISC para uso interno antes de su ejecución.

Arquitectura RISC

Tendrá menos transistores dedicados a la lógica principal. Incrementar el tamaño del conjunto de registros.

Mayor velocidad en la ejecución de instrucciones. Implementar medidas para aumentar el paralelismo interno. Añadir cachés enormes. Añadir otras funcionalidades, como E/S y relojes para minicontroladores. No ampliar las funcionalidades, y por lo tanto ofrecer el chip para

aplicaciones de bajo consumo de energía o de tamaño limitado.

Arquitectura RISC

Entre las ventajas de RISC tenemos las siguientes: La CPU trabaja mas rápido al utilizar menos ciclos de reloj

para ejecutar instrucciones. Utiliza un sistema de direcciones no destructivas en RAM.

Conserva después de realizar sus operaciones en memoria los dos operandos y su resultado, reduciendo la ejecución de nuevas operaciones.

Cada instrucción puede ser ejecutada en un solo ciclo del CPU

Tipos:

Por tamaño del ALU o del Bus de conexión al exterior (8, 16, 32, 64 bits)

De cauce segmentado o no segmentado

CISC o RISC

Von Newan o Harvard

Instrucciones enteras y/o de punto flotante

Tipos:

Fabricantes actuales: Intel AMD

Velocidades: Hay un chip de reloj: oscila a una frecuencia cuando se le aplica electricidad

proporcionando la velocidad al sistema.. Cada clic de reloj se mide en miles de millones de ciclos por segundo: 1 ciclo por segundo en 1 Hz => 1 millón será 1 GHz. Por ejemplo con un reloj de 100 MHz x 13 (factor) = 1.300 MHz. ( ósea el procesador hará

1.300 millones de pasos por segundo).

Características

Velocidad Actualmente se habla de frecuencias de Gigahercios (GHz.), o de Megahercios (MHz.). Lo

que supone miles de millones o millones, respectivamente, de ciclos por segundo No se puede medir solamente en función de su 'frecuencia de reloj', sino que interviene

también la cantidad de instrucciones que es capaz de gestionar a la vez, lo que se conoce como 'ancho de bus' (cantidad máxima de información en bruto transmisible) que se mide en bits.

Un bit es una pareja del tipo '0/0', '0/1', '1/1' o '1/0' en el código binario: cuantos más bits admita el 'ancho de bus', códigos más largos de ceros y unos se pueden procesar.

Tipos y Características de los Microprocessadores

Nombre del Procesador

Socket o slot en el cual va insertado.

El set de instrucciones.

La fecha de salida.

Cantidad de transistores.

Escala de fabricación.

Tamaño.

Corriente máxima.

Consumo.

Frecuencia.

Cantidad de cache de primer nivel.

Cantidad de cache de segundo nivel.

Cantidad de cache de tercer nivel.

Velocidad de bus frontal.

Multiplicador de bus.

Ejercicio.

Buscar software que de las características del procesador Características

Generaciones de los procesadores. Características De la tabla anterior marcar los procesadores por generación

Funcionamiento(ALU, Unidad de control, Registros y Buses Internos)

Unidad de Control: Coordina todas las tareas que realiza la computadora Determina que operaciones se deben realizar y en que orden (búsqueda, decodificación, y

ejecución de la instrucción). Sincroniza todo el proceso de la computadora, dependiendo de la interpretación de las

instrucciones que integran los programas, Genera el conjunto de ordenes elementales necesarias para que se realice los procesos

necesarios. Para realizar su función, consta de los siguientes elementos:

Registro de contador de programas (CP) Registro de Instrucciones (RI) Registro de Direcciones (RD) Decodificador (D) Reloj (R) Generador de Señales o Secuenciador (S)

Unidad de Control

Pasos en que se divide este proceso: Extrae de la memoria principal la instrucción a ejecutar Establece la configuración de las puertas lógicas que se van a ver involucradas en la

operación de calculo solicitada, estableciendo el circuito que va a resolverla Busca y extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción

indicada en el paso 1 Ordena a la unidad involucrada en la resolución de la instrucción que realice las

operaciones Si la operación realizada proporciona nuevos datos, estos se almacenan en la memoria

principal Se incrementa el contenido del registro puntero de instrucciones.

Elementos de la unidad de control

Registro de contador de programas (CP). Contiene permanentemente la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar. Si la instrucción que se está ejecutando en un instante determinado es de salto o de

ruptura de secuencia, el CP tomará la dirección de la instrucción que se tenga que ejecutar a continuación; esta dirección la extraerá de la propia instrucción en curso.

Una vez obtenida y antes de continuar con los siguientes pasos una señal de control incrementa el CP en una unidad, por lo cual los programas deben estar escritos (cargados) en posiciones consecutivas de memoria. El CP pasa la dirección al Registro de Direcciones

Registro de Direcciones (RD). Contiene la dirección de memoria donde se encuentra la próxima instrucción y esta

comunicado con el Bus de Direcciones. El tamaño de este registro determina el tamaño de la memoria que puede direccionar Con la dirección de memoria, se transfiere a través el Bus de Datos desde la memoria

central al Registro de Datos en la UC la instrucción correspondiente. Esta transferencia se realiza mediante señales de control. Una vez que la instrucción se

encuentra en la CPU, el código de la instrucción pasa al registro de instrucciones.

Elementos de la unidad de control

Registro de Instrucciones (RI). Contiene la instrucción que se está ejecutando en cada momento. Esta instrucción llevará consigo el código de operación (CO), acción de que se trata, y en su

caso los operandos o las direcciones de memoria de los mismos. Pasa el CO al decodificador.

Decodificador (D). Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso (que está

en el RI) y dar las señales necesarias al resto de los elementos para su ejecución por medio del Generador de Señales.

Generador de Señales(GS). En este dispositivo se generan órdenes muy elementales que, sincronizadas por los impulsos

del reloj, hacen que se vaya ejecutando poco a poco la instrucción que está cargada en el RI.

Reloj (R). Proporcionar una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes (frecuencia

constante), que marcan los instantes en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción.

Unidad de control

Unidad aritmético–lógica (ALU)

Esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético (generalmente sumas o restas) y de tipo lógico (generalmente comparaciones).

Procesa los datos

Para realizar su función se deben de proporcionar los siguientes datos:

El código que indique la operación a efectuar La dirección de la celda donde esta almacenado el primer sumando La dirección del segundo sumando implicado en la operación La dirección de la celda de memoria donde se almacenara el resultado


Operaciones aritméticas: Suma Resta División Multiplicación

Operaciones lógicas: Yes (si) Or (o) Not (no) And (y)

Ay B son operandosR es la salidaF es la entrada de la UCD es un estado de salida


Banco de registros (BR). Está constituido por 8, 16 ó 32 registros de tipo general que sirven para situar datos antes

de cada operación, para almacenar datos intermedios en las operaciones y para operaciones internas del procesador.

Circuitos operadores (CIROP). Compuesto de uno o varios circuitos electrónicos que realizan operaciones elementales

aritméticas y lógicas (sumador, complementador, desplazador, etc).

Registro de resultado (Acumulador RR). Se trata de un registro especial, en el que se depositan los resultados que producen los

circuitos operadores.

Señalizadores de estado (SE). Registro en los que se deja constancia de algunas condiciones que se dieron en la última

operación realizada (en una resta saber si el resultado fue 0, + o -).


Los estados mas comunes son: Z= resultado 0 N = resultado negativo V = el resultado supera el numero de bits que puede manejar la ALU P = Paridad del numero 1 en los datos I = Interrupción C= Acarreo de la operación realizada

http://www.sites.upiicsa.ipn.mx/polilibros/portal/Polilibros/P_terminados/PolilibroFC/Unidad_II/Unidad%20II_2.htm

http://www.econ.uba.ar/www/departamentos/sistemas/plan97/tecn_informac/briano/seoane/tp/2002_1/UnidadCentralProceso.htm

http://www.todo-programacion.com.ar/archives/2005/04/la_unidad_centr.html

http://serdis.dis.ulpgc.es/~ii-pint/Recursos/otros/Trabajos1/Procesadores%20Generaci%C3%B3n%20%20-%20OjedaReyes_Aaron/Generaciones_procesadores.pdf

http://www.aliatuniversidades.com.mx/bibliotecasdigitales/pdf/sistemas/Arquitectura_computadoras_I.pdf

http://www.pcnet.com.es/hardware/cpu.html












arquitectura de computadoras.pptx

Documents