Funcionamiento del ordenador

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08/12/2010 1 Funcionamiento del ordenador Unidad 2 parte 2 Arquitectura de Von Neumann Conectaremos permanentemente las unidades del ordenador bajo un control central Se sigue utilizando en la actualidad con pequeños cambios respecto a la original Arquitectura Von Neumann La unidad central de proceso (CPU) Controla y gobierna todo el ordenador cerebro del ordenador Interpreta y ejecuta las instrucciones de: Programas almacenados en memoria Datos de periféricos de entrada y salida La potencia de un sistema informático se mide principalmente por su CPU Partes CPU Unidad de control (UC) Interpreta y ejecuta las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal Genera señales de control necesarias para ejecutarlas Unidad Aritmético-lógica (UAL o ALU) Recibe datos sobre los que efectúa operaciones de cálculo Toma decisiones lógicas Devuelve el resultado Todo ello bajo la supervisión de la UC Partes CPU Registros: Pueden ser de trabajo o de propósito general Se almacena información temporal Constituyen el almacenamiento interno de la CPU Se encarga del control y ejecución de todas las operaciones del sistema

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Funcionamiento del ordenadorUnidad 2 – parte 2

Arquitectura de Von Neumann

Conectaremos permanentemente las

unidades del ordenador bajo un control

central

Se sigue utilizando en la actualidad con

pequeños cambios respecto a la original

Arquitectura Von Neumann La unidad central de proceso (CPU)

Controla y gobierna todo el ordenador

cerebro del ordenador

Interpreta y ejecuta las instrucciones de:

◦ Programas almacenados en memoria

◦ Datos de periféricos de entrada y salida

La potencia de un sistema informático se

mide principalmente por su CPU

Partes CPU

Unidad de control (UC)◦ Interpreta y ejecuta las instrucciones máquina

almacenadas en la memoria principal

◦ Genera señales de control necesarias para ejecutarlas

Unidad Aritmético-lógica (UAL o ALU)◦ Recibe datos sobre los que efectúa operaciones

de cálculo

◦ Toma decisiones lógicas

◦ Devuelve el resultado

◦ Todo ello bajo la supervisión de la UC

Partes CPU

Registros:

◦ Pueden ser de trabajo o de propósito general

◦ Se almacena información temporal

◦ Constituyen el almacenamiento interno de la

CPU

◦ Se encarga del control y ejecución de todas

las operaciones del sistema

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Buses

Utilizados por la CPU para:

◦ Aceptar órdenes del usuario

◦ Acceder a los datos

◦ Presentar resultados

Conectan la CPU con los dispositivos de

almacenamiento, entrada y salida.

Los registros internos del

microprocesador Son celdas de memoria de alta velocidad

que permiten a la CPU almacenar datos

temporalmente

Formados por un conjunto de bits que se

manipulan en bloques de múltiplos de 8

(8,16, 32…)

Los registros internos del

microprocesador El tamaño del registro indica el número

de bits que puede manipular a la vez el

procesador

Cuanto mayor sea, más potente será el

micro

Los registros internos del

microprocesador Las primeras CPU tenían 8 bits

Los primeros PC registros de 16 bits.

Solo podían utilizar software como:

◦ DOS

◦ Windows 3.x

Con 32 bits se puede utilizar mayor

cantidad de memoria (micro 80386)

Los registros internos del

microprocesador En una arquitectura de 64 bits se puede

direccionar memoria de 2 elevado a 64

En la arquitectura de 32 bits el máximo

de RAM se limita a 4Gb (2 elevado a 32)

Los registros internos del

microprocesador Se pueden dividir en dos tipos:

◦ Visibles al usuario

◦ De control

◦ De estado

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Registros visibles al usuario

Referenciados por lenguaje ensamblador

o máquina para optimizar recursos

Existen tres categorías

◦ Registros de dirección:

Contienen las direcciones de memoria donde se

encuentran los datos.

Algunos de los más utilizados son los registros de

índices y los punteros de pila.

Registros visibles al usuario

◦ Registros de datos:

Se usan para contener datos.

Esto hace que aumente la velocidad del proceso

Sobre todo cuando un dato es muy solicitado, pues se deja en un registro y no hay que acceder a la memoria.

◦ Registros de condición

También llamados flags

Son bits fijados mediante el hardware

Indican si una operación devuelve un resultado positivo, negativo o nulo, si hay overflow, etc.

Registros de control y de estado

Son los que intervienen en la ejecución

de las instrucciones.

Tipos:

◦ Contador de programa (CP)

También llamado contador de instrucciones

Contiene la dirección de la siguiente instrucción a

ejecutar

Su valor es actualizado por la CPU después de

capturar una instrucción

Registros de control y de estado

◦ Registro de instrucción (RI)

Contiene el código de la instrucción actual

Aquí se analiza el código de operación

◦ Registro de dirección de memoria (RDM)

Contiene la dirección de una posición de memoria,

donde se encuentra o va a ser almacenada la

información

El intercambio se realiza a través del bus de

direcciones

Registros de control y de estado

◦ Registro de intercambio de memoria (RIM)

Recibe o envía la información o el dato de

contenido en la posición apuntada por el RDM

El intercambio de datos con la memoria se realiza a

través del bus de datos

Funcionamiento de los registros

1. El registro controlador de programa (CP) tiene la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar.

Para buscarla, el contenido de esa posición es pasado al registro de dirección de memoria (RDM).

La instrucción apuntada por el RDM se carga en el registro de intercambio de memoria (RIM), y desde aquí pasa al registro de instrucción (RI).

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Funcionamiento de los registros

2. El decodificador de instrucciones

interpreta el contenido del RI, y se

generan las órdenes oportunas para su

ejecución

3. El contador de programa (CP) se

incrementa en 1, para apuntar a la

siguiente instrucción

Buses de comunicación

Son líneas eléctricas u ópticas a través de

las cuales se comunican las distintas

unidades de un ordenador

Son cables por los que circula la

información en forma de bits

Clasificación de los buses

En función de su ubicación:

◦ Internos: soldados a la Placa Base

◦ Externos: IDE

En función del tipo de información que

transportan

◦ Bus de datos

◦ Bus de direcciones

◦ Bus de Control

Bus de datos

Intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades

Se realiza a través de un conjunto de líneas eléctricas, una por cada bit, y se transmiten todos a la vez de forma paralela

La velocidad del bus se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz)

Bus de datos

La CPU tiene un número de bits que

transfiere simultáneamente a través de

este bus.

El tamaño del bus se mide en bits

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Bus de direcciones

Transmite direcciones entre la CPU y la

memoria

Se sincroniza con el de datos

Selecciona la dirección de memoria o el

dispositivo de entrada/salida con el cual

va a intercambiar información

Bus de direcciones

Para determinar el volumen de memoria directamente accesible por la CPU, hay que tener en cuenta el nº de líneas o bits que forman el bus de direcciones

Cuanto mayor sea el nº de bits, mayor es el rango de memoria direccionable

Si un bus tiene 10 bits, se podrá acceder a 2^10 posiciones de memoria

Bus de control

Genera los impulsos eléctricos necesarios

para gobernar el resto de elementos

La Unidad de control

Interpreta y ejecuta las instrucciones

máquina que conforman los programas

Genera las señales de control necesarias

para llevarlas a cabo

Operaciones Unidad de Control

1. Extrae de la memoria principal la

instrucción a ejecutar. Para ello dispone

del CP (Contador de programa) y del RI

(Registro de Instrucción)

2. Una vez conocido el código de

operación, la UC establece las

conexiones con los circuitos de la ALU,

que deberán intervenir

Operaciones Unidad de Control

3. Extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción; es decir, ordena la lectura de la celda cuya dirección se encuentre en el RI (dirección del operando)

4. Ordena a la ALU que efectúe las operaciones necesarias. El resultado de este tratamiento se deposita en un registro especial de la ALU, registro acumulador.

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Operaciones Unidad de Control

5. Finalmente se incrementa el contenido

del controlador de programa, de manera

que coincida con la dirección de la

siguiente instrucción a ejecutar

Componentes de la UC

Decodificador de Instrucción (DI)

Reloj

Secuenciador

Decodificador de Instrucción

Se encarga de extraer y analizar el código

de operación de la instrucción en curso

contenida en el RI

Genera las señales de control necesarias

para ejecutar correctamente la

instrucción

Reloj

Sucesión de impulsos eléctricos a

intervalos constantes

Marca los tiempos de ejecución de los

pasos a realizar por cada instrucción

Marca el ritmo de funcionamiento del

descodificador de instrucción

Reloj

Se encarga de sincronizar todo el sistema

La mayoría de las CPU son de naturaleza

sincrónica; están diseñadas y operan en

función de la señal de sincronización; a

esta señal se la conoce como señal de

reloj, que normalmente toma forma de

onda cuadrada periódica

Atención!

Cuanto mayor es la frecuencia a la que

funciona el reloj de ciclos del ordenador,

menores son los tiempos de ciclo, por

tanto, mayor velocidad de ejecución.

Megahercio, Gigahercio, etc..

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Atención!

Otro factor que se tiene en cuenta en la

velocidad del procesador es el nº de

instrucciones por segundo

Los AMD trabajan a una frecuencia más

baja que los Intel, pero realizan más

instrucciones por ciclo.

Secuenciador

Genera órdenes o micro órdenes

elementales

Sincronizadas con los impulsos de reloj,

hacen que se ejecuten paso a paso

Unidad aritmético-lógica (ALU)

Opera con los datos que recibe siguiendo

las órdenes de la UC

Realiza operaciones:

◦ Aritméticas

◦ Lógica booleana

Recibe un código de instrucción que le

indica que debe realizar

Unidad aritmético-lógica (ALU)

Recibe las direcciones de las celdas de

memoria donde se encuentran los

operandos y la celda donde se almacenará

el resultado

Para poder realizar operaciones más

complejas (fraccionarias, trigonométricas

o logarítmicas) utiliza la unidad de coma

flotante (FPU)

Vocabulario

MIPS = Millones de instrucciones por

segundo

MFLOPS = Millones de instrucciones en

coma flotante por segundo

La memoria principal, RAM

En ella se almacena:

◦ El programa

◦ Los datos

La manipulación de estos está dirigida por

la UC

Está formada por un conjunto de casillas

capaces de almacenar información

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La memoria principal, RAM

Cada casilla contiene 8 bits = 1 byte

Ram de 1KB (2^10=1.024 bytes), dispondra

de 1024 celdas de memoria

RAM de 1MB (2^20 = 1.048.576 caracteres)

Cuando se apaga su contenido desaparece

(volátil)

La memoria principal, RAM

Cada casilla se identifica con una dirección de memoria

Para realizar operaciones de lectura y escritura necesitamos del:◦ Registro de dirección (RDM)

◦ Registro de intercambio de datos (RIM)

Estos, posibilitan la transferencia de los datos a través de la conexión de la dirección del RDM con el RIM

Operaciones con la RAM

Lectura

Escritura

Lectura

En el RDM se almacena la dirección de memoria de la celda que contiene la información

El selector de memoria escoge la dirección contenida en el RDM y carga en el RIM la información de esa celda

Transfiere el contenido del RIM al registro de trabajo de la CPU para que se procese

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Escritura

Los datos que ya han sido procesador por

la CPU llegan a la RIM

En el RDM está la dirección de la celda

destino de la información

El selector de memoria escoge la celda

destino y carga el contenido del RIM en la

celda apuntada por el RDM

Ejecución de una instrucción

Los programas son un conjunto de

instrucciones que se ejecutan en dos

fases:

◦ Fase de búsqueda

◦ Fase de ejecución

Fase de búsqueda

Consiste en localiza la instrucción a

ejecutar dentro de la memoria principal y

llevarla a la UC para procesarla

Fase de ejecución

Es la realización de las acciones que llevan

asociadas las instrucciones:

◦ Suma

◦ Resta

◦ …

Mapas de memoria

Caso práctico pág. 43

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Jerarquía de las memorias

La memorias se organiza en niveles dependiendo de:

◦ Capacidad

◦ Velocidad

◦ Acceso

◦ Coste

El nivel superior será para memorias muy rápidas, menor capacidad y tiempo de acceso mínimo con el coste alto

Jerarquía de las memorias

Cada nivel es más pequeño, más caro y

más rápido que el siguiente

Ver tabla de la pág. 47

Registros de la CPU

Memorias de baja capacidad

Alta velocidad

Integradas en el procesador

Permiten guardar y acceder a valores muy usados

Tiempo acceso: menor al nanosegundo10-9

Memoria caché

Baja capacidad

Muy rápidas

Tiempo acceso: menor a 5 nanosegundos

Permite acelerar el acceso a los datos cuando se supone que van a leerse o modificarse pronto

Memoria caché

Cuando se accede por primera vez a un

dato, se hace una copia en la caché; los

accesos posteriores se realizan a dicha

copia, logrando que el tiempo de acceso

medio al dato sea menor

Memoria RAM

Mas lenta y más capacidad que la caché

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Memoria secundaria o de disco

Alta capacidad (GB o TB)

Tiempo de acceso: milisegundos (10^-6)

Discos duros del ordenador

En el caso de que la memoria principal sea

insuficiente, utiliza espacio de los discos

duros como apoyo (memoria virtual)

Soportes magnéticos

Dispositivos para el almacenamiento de

información

Consistentes en:

◦ Base de plástico

◦ Recubiertos por una capa magnética

◦ Sobre ella se sitúan las cabezas de escritura y

lectura

Soportes magnéticos

Las cabezas modifican la corriente

eléctrica de modo que la grabación se

produce gracias a pequeños puntos

magnetizados

Ejemplo: Discos duros

Disco Compacto (CD)

Soporte digital óptico

Almacena cualquier tipo de información:

◦ Audio

◦ Vídeo

◦ Documentos

◦ Otros datos

Capacidad: 740-750 MB

DVD

Formato de almacenamiento óptico

Puede ser utilizado para guardar datos como películas con alta calidad de vídeo y audio

Dimensiones físicas: similar al cd

Formato distinto y mayor densidad

Blu-Ray

Formato de disco óptico

Dimensiones = cd y dvd

Para vídeo de alta definición

Almacenamiento de datos de alta densidad

Capacidad: 50GB a 2 capas / 25 GB 1 capa

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Unidades de entrada y salida: Los

periféricos Dispositivos que se conectan al

ordenador y permiten almacenar y comunicar al ordenador con el mundo exterior

Tipos:

◦ Entrada

◦ Salida

◦ Almacenamiento

◦ Comunicaciones

Periféricos de entrada

Introducen datos externos en el ordenador

Ejemplos:

◦ Teclado

◦ Ratón

◦ Cámara web

◦ Escáner

◦ Micrófono

◦ etc.

Periféricos de salida

Reciben información que es procesada

por la CPU y la muestran al usuario

Ejemplo:

◦ Monitor

◦ Impresora

◦ Altavoces

◦ Auriculares

◦ Etc.

Periféricos de almacenamiento

Guardan datos para usos posteriores

Pueden ser:◦ Internos

◦ Externos

Ejemplos:◦ CD/DVD/Blu-Ray

◦ Discos duros

◦ Memoria Flash

◦ Etc.

Periféricos de comunicación

Facilitan la interacción entre dos o más ordenadores o un periférico externo.

Ejemplo:

◦ Tarjeta de red

◦ Tarjeta wireless

◦ Tarjeta de Bluetooth

◦ Controladores puertos

◦ Hub

◦ Etc.

¿Sabías que?

La memoria ROM se usa para grabar las rutinas de inicio, el POST y los programas de la BIOS

Rutinas de inicio: programas encargados de supervisar la puesta en marcha del ordenador

Se comprueban los periféricos instalados, sincronizando y poniendo en posición de inicio los chips del sistema

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¿Sabías que?

La BIOS busca y ejecuta las unidades de

disco duro, o de CD, archivos de arranque

del SO

Actualmente se están sustituyendo por

memorias flash regrabables aunque no

accesibles al usuario

¿Sabías que?

Sin las instrucciones de la BIOS no

podríamos cargar en la RAM la parte de

los ficheros que se necesitan para

arrancar el SO

Funcionamiento del ordenador

La ROM es básica en el proceso de arranque del ordenador

Cuando encendemos el ordenador, la fuente de alimentación da corriente a los componentes del sistema, incluyendo a la CPU

Esta envía una orden al chip de la memoria ROM de la BIOS

Funcionamiento del ordenador

Esto ejecuta las rutinas POST

(Autocomprobación diagnóstica de

encendido o programa de arranque)

El proceso continua ejecutando

instrucciones del SO y trasladándolas a la

RAM, apareciendo la primera pantalla

(Escritorio)

Funcionamiento del ordenador

Podremos ejecutar cualquier programa

Introducir datos utilizando los periféricos

de entrada

Cuando finaliza el proceso con los datos,

los resultados irán a un dispositivo de

salida o almacenamiento

Funcionamiento del ordenador

Concluida la sesión de trabajo,

desaparecen de la RAM y apagamos el

ordenador.

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El software del ordenador

Software: conjunto de programas,

instrucciones y reglas informáticas para

ejecutar ciertas tareas en una

computadora

Trabaja con datos, tiene una

documentación y se basa en la parte

lógica del ordenador

Clasificaciones del software

Basadas en tipo de trabajo que realiza

◦ De sistema

◦ De aplicación

◦ De programación

Basada en el método de distribución

◦ Shareware

◦ Freeware

◦ De uso específico

◦ Multimedia

Basado en el tipo de trabajo.

Software del sistema Permite que el hardware funciones

Programas que administran la parte física

y recursos

Interactúa entre el usuario y el hardware

Ejemplos: Sos, controladores, etc.

Basado en el tipo de trabajo.

Software de aplicación Programas que realizan tareas específicas

Posibilidad de automatización

Ejemplos:

◦ Ofimáticas

◦ Contabilidad

◦ Diseño asistido (CAD)

◦ etc.

Basado en el tipo de trabajo.

Software de programación Herramientas para escribir programas

informáticos

Entornos de desarrollo integrados (IDE)

◦ Agrupan estas herramientas bajo en un

entorno gráfico

Basado en el método de

distribución. Shareware Se puede evaluar de forma gratuita por un

tiempo especificado

Licencia mediante pago

Ejemplo: Winzip

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Basado en el método de

distribución. Freeware Se distribuye sin cargo

A veces se incluye el código fuente

Suele incluir licencia de uso que permite su

redistribución pero con algunas restricciones

Los programas de software libre no

necesariamente son freeware

Basado en el método de

distribución. multimedia Utilizados para presentar de forma

integrada textos, gráficos, sonidos y

animaciones

Ejemplo: Enciclopedias multimedia

Basado en el método de

distribución. Uso específico Se desarrolla especialmente para resolver

un problema determinado

Ejemplo: Gestión videoclub

Vocabulario

Un proceso o tarea es un instante de un

programa de ejecución

El sistema operativo

Controlan el funcionamiento del

hardware

Modo sencillo de acceso al ordenador

Coordinan y jerarquizan los procesos y

los periféricos

El sistema operativo

Está compuesto por un conjunto de

programas que se utilizan para gestionar

las acciones con el hardware:

◦ Núcleo o kernel

◦ Interprete de comandos o shell

◦ Sistema de archivos

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Núcleo o kernel

Representa las funciones básicas del sistema operativo

Se encarga de:

◦ La carga inicial

◦ Planificar el trabajo de la CPU

◦ Administrar periféricos

◦ Comunicación entre procesos

◦ Administrar memoria

◦ Administrar archivos

Interprete de comandos o shell

Posibilita la comunicación con el SO

Permite al usuario controlar periféricos

sin conocer las características del

hardware

Interface entre la CPU y el usuario

Sistema de archivos

Permite que los archivos se registren en

una estructura arbórea.

Funciones del sistema operativo

Dispone de una Interface

Reconoce componentes instalados

Administra la información

Maneja puertos de interrupción

Administra la memoria

Gestiona de manera eficiente los recursos

del sistema

Clasificación de los sistemas

operativos Respecto al modo de trabajo del usuario

◦ On line (o interactivos)

Útiles en entornos de desarrollo, procesamiento de

textos y ejecución de programas interactivos

◦ Off line (o batch o por lotes)

Una vez introducida una tarea, el usuario no tiene

contacto hasta que es finalizada

Clasificación de los sistemas

operativos Respecto al número de usuarios

◦ Monousuario

Se puede acceder mediante un único terminal

MS DOS, Windows 3.1

◦ Multiusuario

Varios usuarios pueden trabajar con la misma

máquina

Unix, Linux, XP, Vista, 7

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Clasificación de los sistemas

operativos Respecto al propósito

◦ Específico

◦ General

Clasificación de los sistemas

operativos Respecto al número de procesadores

◦ Multiprocesadores

Varios procesadores

No sincronizados

◦ Sistema distribuidos

Ordenadores conectados entre si

La ejecución de aplicaciones no depende de dónde

esté situado

Ejercicios

Test de repaso pág. 55

2, 4, 5, 7 y 8 pág. 56