01 La computadora y su arquitectura
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01 La computadora y su arquitectura Estructuras de datos (Prof. Edgardo A. Franco) 1
Transcript of 01 La computadora y su arquitectura
01 La computadora y su arquitectura
Estructuras de datos (Prof. Edgardo A. Franco)
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Contenido• La computadoras• Computadora• Computación• Computación en la vida diaria• Razón de ser de las Computadoras• Información Digital
• El idioma digital y su programación• Sistema Binario• Sistema Hexadecimal• Medida de la información dugital
• Arquitectura de una computadora• Hardware y software• Partes principales de una arquitectura• Arquitecturas según su modelo de memoria
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Las computadoras
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Computadora
¿Qué es una computadora?
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• Una computadora es una máquina capaz de procesarinformación a gran velocidad.
• ¿Qué es una máquina?
• ¿Qué es procesar?
• ¿Qué es una información? 5
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¿Qué es una maquina?
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¿Qué es procesar?
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¿Qué es información?
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• La Información es un conjunto de datos ordenados querepresentan algo.
• Los datos ordenados son los que constituyen una entrada(input) a la computadora, la cuál se encarga de procesarmediante una lógica (programa) para producir una nuevainformación de salida (output).
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Procesamiento
Información de entrada
Información de salida
• ¿Qué es computación?
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Computación
• Conjunto de conocimientos científicos y de técnicas quehacen posible el tratamiento automático de la informaciónpor medio de computadoras.
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Computación
• Comunicación, entretenimiento, productividad, salud,alimentación, ciencia, bienestar, servicios, etc.
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Computación en la vida diaria
• Y el futuro…
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• Debido a su gran velocidad para realizar cálculos,almacenar información ,procesarla y recuperarla y seguirsecuencias de instrucciones de manera precisa podemosdecir que:
“La razón de ser de una computadora es poder resolver problemas capaces de ser modelados y representados en datos coherentes y ordenados (información), apoyándose
de su gran velocidad y capacidad de seguir una serie de pasos programados con anterioridad y dependientes de la
información que se maneja”.
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Razón de ser de las Computadoras
El idioma digital y su programación
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•Una computadora es una máquinacapaz de procesar información digital agran velocidad.
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Información digital
• Aquella maquina a la que se le suministran los datos mediante
dígitos o elementos finitos o discretos..
• ¿Qué es información digital?
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Máquina digital
• La información digital es toda aquella informaciónque es almacenada o transmitida empleando unsistema de codificación discreto de los datos, en elcaso de la computación un sistema de unos yceros (el sistema binario) es fácil de implementar.
• Estos unos y ceros representan un estado real demateria, onda o energía.
• P.g., en un disco óptico (CD, DVD...) un láser lee lasuperficie que está "marcada" de distintas formaspara representar el 1 y el 0.
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• El sistema binario, es un sistema de numeración en el quelos números se representan utilizando solamente dos cifras:cero y uno (0 y 1).
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Sistema binario
• Es uno de los sistemas que se utilizan en las computadoras,debido a que estas trabajan internamente con dos nivelesde voltaje, por lo cual su sistema de numeración natural esel sistema binario.
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• Un sistema de numeración es un conjunto de símbolos y reglasque permiten representar datos numéricos. Los sistemas denumeración actuales son sistemas posicionales, que secaracterizan porque un símbolo tiene distinto valor según laposición que ocupa en la cifra.
• Para realizar las conversiones de base en sistemasnuméricos esta relacionado con el valor posicional.
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Conversión de Binario a Decimal
• Desarrollar el número, teniendo en cuenta el valor de cadadígito en su posición, que es el de una potencia de 16, cuyoexponente es 0 en el bit situado más a la derecha, y seincrementa en una unidad según vamos avanzandoposiciones hacia la izquierda.
• P.g., convertir el número binario 10100112a decimal
1x26 + 0x25+ 1x24+ 0x23+ 0x22+ 1x21+ 1x20= 8310
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64 32 16 8 4 2 1
Conversión de Decimal a Binario• Realizar divisiones sucesivas por 2 y escribir los residuos obtenidos en cada
división en orden inverso al que han sido obtenidos.
• P.g., convertir al sistema binario el número 7710
𝟕𝟕
𝟐= 𝟑𝟖 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 𝟏
𝟑𝟖
𝟐= 𝟏𝟗 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 𝟎
𝟏𝟗
𝟐= 𝟗 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 𝟏
𝟗
𝟐= 𝟒 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 𝟏
𝟒
𝟐= 𝟐 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 𝟎
𝟐
𝟐= 𝟏 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 𝟎
𝟏
𝟐= 𝟎 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 𝟏
• Tomando los residuos en orden inverso obtenemos la cifra binaria:7710 = 10011012 25
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• Es el sistema de numeración posicionalque tiene como base el 16. Su uso actualestá muy vinculado a la informática yciencias de la computación donde lasoperaciones de la CPU suelen usar el byteu octeto como unidad básica dememoria; y, debido a que un byterepresenta 28 valores posibles, y estopuede representarse como: 28 = 24 ×24 = 16 × 16 = 1𝑥162 + 0 × 161 + 0 ×160, que equivale al número 100 en basehexadecimal dos dígitos hexadecimalescorresponden exactamente a un byte.
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Sistema hexadecimal
Conversión de Hexadecimal a Decimal
• Desarrollar el número, teniendo en cuenta el valor de cadadígito en su posición, que es el de una potencia de 2, cuyoexponente es 0 en el digito situado más a la derecha, y seincrementa en una unidad según vamos avanzandoposiciones hacia la izquierda.
• P.g., convertir el número hexadecimal A2F716a decimal
10x163+ 2x162+ 15x161+ 7x160= 4171910
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A 2 F 7
Conversión de Decimal a Hexadecimal
• Realizar divisiones sucesivas por 16 y escribir los residuos obtenidos encada división en orden inverso al que han sido obtenidos.
• P.g., convertir al sistema hexadecimal el número 4171910
41719
16= 2607 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 7
2607
16= 162 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 15 = F
162
16= 10 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 2
162
16= 0 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 10 = 𝐴
• Tomando los residuos en orden inverso obtenemos la cifrahexadecimal:
4171910 = A2F716
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Conversión de Binario a Hexadecimal a Binario
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Binario Hexadecimal
0000 0
0001 1
0010 2
0011 3
0100 4
0101 5
0110 6
0111 7
1000 8
1001 9
1010 A
1011 B
1100 C
1101 D
1110 E
1111 F
Separación por nibles (4 bits) de derechaa izquierda y asignación de su valor. P.g.convertir a base 16 11 1011 0010 10012
Conversión de Binario a Hexadecimal
Conversión de Hexadecimal a Binario
5BB16 = 101101110112
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101101011112 = 5AF16
5 A F
1011
1011
0101
Un byte es una unidad de información de ocho bits; un bit serefiere a un digito del sistema de numeración binario yproviene del inglés bite, “mordisco”, ya que es la cantidadmás pequeña de datos que una computadora podía “morder”a la vez.
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Medida de la información digital
Múltiplo (símbolo) SI
kilobyte (kB) 103
megabyte (MB) 106
gigabyte (GB) 109
terabyte (TB) 1012
petabyte (PB) 1015
exabyte (EB) 1018
zettabyte (ZB) 1021
yottabyte (YB) 1024
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Número de bytes Múltiplo Equivalencia aproximada
1 1 B Una letra.
10 10 B Una o dos palabras.
100 100 B Una o dos frases.
1000 1 kB Una historia muy corta.
10 000 10 kBUna página de enciclopedia, tal vez con un dibujo simple.
100 000 100 kB Una fotografía de resolución mediana.
1 000 000 1 MB Una novela.
10 000 000 10 MBDos copias de la obra completa de William Shakespeare.
100 000 000 100 MB Un estante de un metro de libros.
1 000 000 000 1 GB Una furgoneta llena de páginas con texto.
1 000 000 000 000 1 TBTodas las páginas de texto elaboradas de 50 000 árboles.
10 000 000 000 000 10 TBLa colección impresa de la biblioteca del congreso de EE. UU.
1 000 000 000 000 000 1 PB Los datos que maneja Google cada hora.
1 000 000 000 000 000 000 1 EBEl peso de todos los datos en Internet para finales de 2001.
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ónPrefijo Símbolo del prefijo
Nombre resultante del prefijo + byte
Símbolo del múltiplo del byte
Factor y valor en el SI
Valor de referencia byte B 100 = 1
kilo k kilobyte kB 103 = 1 000
mega M megabyte MB 106 = 1 000 000
giga G gigabyte GB 109 = 1 000 000 000
tera T terabyte TB 1012 = 1 000 000 000 000
peta P petabyte PB1015 = 1 000 000 000 000 000
exa E exabyte EB1018 = 1 000 000 000 000 000 000
zetta Z zettabyte ZB1021 = 1 000 000 000 000 000 000 000
yotta Y yottabyte YB1024 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000
Múltiplos utilizando los prefijos del Sistema Internacional
• Durante los inicios de la informática ―a mediados del siglo XX―, las unidades semostraban como múltiplos de 1000, pero a finales de los años cincuenta se empezóa confundir 1000 con 1024, puesto que los ordenadores trabajan en base binaria. Elproblema se originó porque para la memoria RAM resultó más fácil direccionar enmúltiplos de 1024=210, puesto que los ordenadores trabajan en base binaria y nodecimal.
• El problema radicó al nombrar las unidades en sentido binario, ya que se adoptaronlos nombres de los prefijos del Sistema Internacional de Unidades, y recibieron losmismos prefijos que las unidades de base mil. Esto sembró ciertas confusiones quehasta el día de hoy continúan debatiéndose por la comunidad informática.
• Para clarificar la distinción entre los prefijos decimal y binario, la ComisiónElectrotécnica Internacional (IEC), un grupo de estandarización, en 1997 propusoprefijos con uniones abreviadas del Sistema Internacional de Unidades con lapalabra binario. Así pues, sería denominado un mebibyte (MiB) contracción demegabyte binario. Esta convención todavía no se ha difundido suficientemente.
• Debido a las formas irregulares en el uso del prefijo binario en la definición y uso delkilobyte, el número exacto es el siguiente:
• 1 000 000 bytes o Megabyte es la definición usada por los ingenieros detelecomunicaciones y por algunos fabricantes de sistemas de almacenamiento, y esla que resulta coherente con el prefijo del SI «mega». La abreviatura que es igual atodas y es la adecuada es por tanto MB (megabyte).
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Múltiplos utilizando los prefijos ISO/IEC 80000-13
Prefijo Símbolo del prefijoNombre resultante del prefijo + byte
Símbolo del múltiplo del byte
Factor y valor en el ISO/IEC 80000-13
Valor de referencia byte B 20 = 1
kibi Ki kibibyte KiB 210 = 1024
mebi Mi mebibyte MiB 220 = 1 048 576
gibi Gi gibibyte GiB 230 = 1 073 741 824
tebi Ti tebibyte TiB240 = 1 099 511 627 776
pebi Pi pebibyte PiB250 = 1 125 899 906 842 624
exbi Ei exbibyte EiB260 = 1 152 921 504 606 846 976
zebi Zi zebibyte ZiB270 = 1 180 591 620 717 411 303 424
yobi Yi yobibyte YiB280 = 1 208 925 819 614 629 174 706 176
• El sistema hexadecimal es el sistema de numeraciónposicional que tiene como base el 16. Su uso actual estámuy vinculado a la informática y ciencias de la computacióndonde las operaciones de la CPU suelen usar el byte uocteto como unidad básica de memoria; y, debido a que unbyte representa 28 valores posibles, y esto puederepresentarse como 28 = 24𝑥24 = 16𝑥16 = 1𝑥162 +0𝑋161 + 0𝑥160que equivale al número en base 16 10016dos dígitos hexadecimales corresponden exactamente a unbyte.
• 𝑆 = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷, 𝐸, 𝐹}
10016 = 1 0000 00002 = 25610𝐹𝐹16 = 1111 11112 = 25510
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Sistema Hexadecimal
Hexadecimal Decimal
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B 11
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D 13
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F 15
Arquitectura de una Computadora
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Hardware y SoftwareUna computadora esta compuesta por un conjuntode componentes electrónicos, mecánicos einterfaces para interactuar con el exterior (usuariosu otros dispositivos) y por un conjunto de programasque determinan que operaciones llevar a cabo.
Computadora
Hardware
Software
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Conjunto de programas(software)
Computadora (hardware)
Entrada Salida
Una computadora esta formada por un parte física y otra lógica (hardware &software), la primera de estas esta conformada por los elementos físicos que laconforman (dispositivos electrónicos y mecánicos), la parte lógica es aquella quedetermina que procesos se van a realizar con la información de entrada.
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• Para definir el conjunto de programas de una computadoraexisten personas responsables de indicar a la computadorala lógica de procesamiento. Cada programa es que esdefinido necesariamente es construido por especialistas(arquitectos de software y programadores).
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• La información que puede ser procesada por lacomputadora será toda aquella que se encuentrecodificada de manera tal que sea posible manipular porlos dispositivos que la conforman, i.e. la información deentrada es digitalizada.
• La información de salida es transformada a un formatoentendible por el usuario o dispositivo que la recibirá, loque significa que no obligatoriamente el procesamientorealizado con la información se realizo comoaparentemente se ve a la salida.
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Arquitectura de una computadora
• Computadora: "Máquina capaz de procesar informacióna muy alta velocidad".
• Podemos determinar con esta definición que esta tieneuna arquitectura establecida y un modo defuncionamiento, debido al hecho de ser una maquina.
• La arquitectura de una computadora es un modelo yuna descripción funcional de los requerimientoselementales y las implementaciones de diseño para laoperación de una computadora, con especial interés enla forma en que la unidad central de proceso CPUtrabaja internamente y accede a las direcciones dememoria. 42
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Elementos básicos de una arquitectura
• Todas las computadoras constan principalmente detres partes, la CPU que procesa los datos, lamemoria que guarda los datos y los dispositivos deentrada y salida que permiten la comunicación conel exterior.
Procesador MemoriaDispositivos de entrada
y salida
Computadora digital
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Procesador
• Desde el punto de vista funcional, unmicroprocesador es un circuito integrado queincorpora en su interior una unidad central deproceso (CPU) y todo un conjunto de elementoslógicos que permiten enlazar otros dispositivos comomemorias y puertos de entrada y salida (I/O),formando un sistema completo para cumplir con unaaplicación específica dentro del mundo real. Paraque el sistema pueda realizar su labor debe ejecutarpaso a paso un programa que consiste en unasecuencia de números binarios o instrucciones,almacenándolas en uno o más elementos dememoria, generalmente externos al mismo
ProcesadorControlDatapath
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Memoria• Se refiere a los componentes de una computadora,
dispositivo y medios de almacenamiento que retienen datosinformáticos durante algún intervalo de tiempo. Lasmemorias de computadora proporcionan unas de lasprincipales funciones de la computación moderna, laretención o almacenamiento de información. Es uno de loscomponentes fundamentales de todas las computadorasmodernas.
• La memoria primaria está directamente conectada a la CPUde la computadora. Debe estar presente para que la CPUfuncione correctamente. (Registros del procesador, Memoriacache y memoria principal de acceso aleatorio RAM).
• La memoria secundaria requiere que la computadora use suscanales de entrada/salida para acceder a la información y seutiliza para almacenamiento a largo plazo de informaciónpersistente. (Discos Duros, Memorias Flash, etc.)
Memoria
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Dispositivos de entrada-salida
• E/S o I/O (input/output), es la colección deinterfaces que usan las distintas unidadesfuncionales (subsistemas) de un sistema deprocesamiento de información para comunicarseunas con otras.
Dispositivos
Entrada
Salida
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• De acuerdo a lo anterior, una arquitectura decomputadora será formada por los siguienteselementos básicos.
Procesador
Computadora
Unidad de Control
Datapath(ALU, Registros, …)
Memoria Dispositivos
Entrada
Salida
*Un datapath es una colección de unidades funcionales, por ejemplo ALUs omultiplicadores, o unidades que realizan un proceso u operaciones con los datos. Lamayoría de los procesadores consisten en un datapath y una a unidad de control, launidad de control se dedica a regular la interacción entre el datapath y la memoria.
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• Toda arquitectura computacional incluye tres aspectosque la definen y distinguen.
1. Conjunto de operaciones
2. Organización de la computadora
3. Hardware de la computadora
1. El conjunto de operaciones: es la interfaz visible entreel hardware y la programación.
• Las dos principales aproximaciones al conjunto deinstrucciones son:• CISC (Complex Instruction Set Computer)
• RISC (Reduced Instruction Set Computer)
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Aspectos que definen y distinguen una arquitectura
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2. La organización de la computadora: es la lógica defuncionamiento de la arquitectura, puedendistinguirse dos arquitecturas teóricas básicas.
1. Arquitectura Von Neumann
2. Arquitectura Harvard
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Procesador
Computadora
Unidad de Control
Datapath(ALU, Registros, …)
Memoria Dispositivos
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3. El Hardware de la computadora: es lo quefísicamente lleva a cabo el trabajo deprocesamiento. De acuerdo a las capacidades ytipos se organizan de acuerdo a una arquitecturaestándar para la construcción de unacomputadora.
• i.e. este aspecto se refiere a las características delhardware (Velocidad, capacidad, …).
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• La organización de la computadora: es la lógica defuncionamiento de la arquitectura, puedendistinguirse dos arquitecturas teóricas básicas.
1. Arquitectura Von Neumann
2. Arquitectura Harvard
• Ambos modelos contemplan la existencia de un modulode procesamiento, una serie de dispositivos deentrada/salida y memoria.
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Arquitectura de una computadorasegún la organización de los elementos
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Arquitectura Harvard
• Arquitectura Harvard hace referencia unaorganización de la computadora que utilizadispositivos memorias físicamente separadas paralas instrucciones y para los datos.
• El término proviene de la computadora Harvard Mark I,que almacenaba las instrucciones en cintas perforadas ylos datos en interruptores.
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Memoria
• Cada memoria dispone de su respectivo bus, lo quepermite, que la CPU pueda acceder de formaindependiente y simultánea a la memoria de datos y ala de instrucciones.
• Como los buses son independientes éstos puedentener distintos contenidos en la misma dirección .
• Además de que el ancho de palabra del bus de datosde cada memoria puede ser distinto.
Usos de esta arquitectura
• Esta arquitectura suele utilizarse enMicrocontroladores y DSPs (procesadores digitales deseñales), usados habitualmente en productos paraprocesamiento de audio y video así como sistemaselectrónicos con cómputo embebido.
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Organización de una computadora bajo la arquitectura Harvard
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Procesador Memoria de datos
E/S
Memoria de programa
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• La arquitectura Von Neumann es un modelo deorganización en arquitecturas de computadoras queutilizan el mismo dispositivo de almacenamientotanto para las instrucciones como para los datos (adiferencia de la arquitectura Harvard).
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ProcesadorMemoria
E/S
Arquitectura Von Neumann
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Memoria
• Se compone de un conjunto de celdas del mismotamaño (número de bits).
• Cada celda está identificada por un número binarioúnico, denominado dirección.
• Una vez seleccionada una celda mediante sucorrespondiente dirección, se pueden hacer dosoperaciones:
• Lectura: Permite conocer el valor almacenadoanteriormente.
• Escritura: Almacena un nuevo valor.56
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Unidad Central de Proceso (CPU)
• Es el conjunto formado por la Unidad de Control, losregistros y la Unidad Aritmética Lógica, es decir es elbloque encargado de ejecutar las instrucciones.
• Con la aparición de los circuitos integrados, y enconcreto a partir de los años 70, cuando la tecnologíaalcanzó el nivel de integración adecuado, se integró enuna sola pastilla la CPU. A este circuito integrado se ledenomina Microprocesador.
Una forma de determinar el rendimiento de uncomputador es por el número de instrucciones que ejecutapor segundo (MIPS).
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Unidad de Entrada/Salida
• Realiza la transferencia de información con las unidadesexternas, denominadas periféricos: unidades dealmacenamiento secundario (disco duro, disquete, cinta,etc.), impresoras, terminales, monitores, etc.
• La memoria secundaria (MS), se considera como unperiférico. La MS es más lenta que la principal, pero tieneuna mayor capacidad de almacenamiento.
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Buses
• Además de las 4 unidades básicas, en un computadorexisten conjuntos de señales, que se denominan buses, ycuya función es transferir las instrucciones y los datos entrelas distintas unidades.
• Estos buses se representan en la figura mediante flechas detrazo continuo. Se suelen distinguir tres tipos de buses:
• Bus de direcciones
• Bus de datos
• Bus de control
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Bus de Direcciones
Bus de Datos
Bus de Control
Unidad central
de proceso
CPUUnidad
de control
UC
PC IR
AR ACDR
Unidad
de
Memoria
Unidad
de
E/S
Dispositivos
periféricos
Unidad
Aritmética y
lógica
ALU E
R/W
E
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Procesador
Unidad Aritmético-Lógica (ALU)• Realiza las operaciones elementales, tanto aritméticas
como lógicas, que implementa el computador: suma, resta,AND, OR, NOT, etc.
• Los datos con los que opera se leen de la memoria, ypueden almacenarse temporalmente en los registros quecontiene la CPU.
Unidad de Control• Ejecuta las instrucciones máquina almacenadas en la
memoria.
• Captura las instrucciones y las decodifica.
• Según el tipo de instrucción, genera las señales de controla todas las unidades internas de la CPU para poder realizarsu ejecución.
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Unidad central de proceso CPU
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