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MÓDULO 1: ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

1.1 ESTRUCTURA DE UNA COMPUTADORA .....................................................................................3 1.1.1 Unidad aritmético­lógica ...................................................................................................4 1.1.2 Unidad de memoria ...........................................................................................................4 1.1.3 Unidades de entrada/salida ...............................................................................................4 1.1.4 Unidad de control..............................................................................................................4 1.1.5 Unidad central de proceso .................................................................................................5 1.1.6 Interfases...........................................................................................................................5

1.2 MATEMÁTICA DIGITAL ...........................................................................................................6 1.2.1 Sistemas numéricos............................................................................................................6 1.2.2 Sistema decimal.................................................................................................................6 1.2.3 Sistema binario..................................................................................................................6 1.2.4 Sistema hexadecimal..........................................................................................................6 1.2.5 Conversión entre los diferentes sistemas ............................................................................7

1.3 LENGUAJE DE MÁQUINA..........................................................................................................9 1.3.1 Introducción......................................................................................................................9 1.3.2 Tipos de palabra................................................................................................................9 1.3.3 Palabra de datos .............................................................................................................10 1.3.4 Palabra de instrucción.....................................................................................................11

1.4 LÓGICA BINARIA ..................................................................................................................12 1.4.1 Introducción....................................................................................................................12 1.4.2 Operaciones básicas........................................................................................................12 1.4.3 Operación AND...............................................................................................................12 1.4.4 Operación OR .................................................................................................................13

1.5 CIRCUITOS LÓGICOS .............................................................................................................14 1.5.1 Introducción....................................................................................................................14 1.5.2 Desarrollo de circuitos ....................................................................................................15

1.6 TRANSMISIONES ...................................................................................................................15 1.6.1 Transmisiones en serie.....................................................................................................15 1.6.2 Transmisiones en paralelo ...............................................................................................16

1.7 NOCIONES BÁSICAS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA ..........................................................16 1.7.1 Electricidad.....................................................................................................................16 1.7.2 Intensidad, potencia y resistencia.....................................................................................16 1.7.3 Corriente alterna y continua ............................................................................................16 1.7.4 Electricidad estática ........................................................................................................17 1.7.5 Circuitos eléctricos..........................................................................................................17 1.7.6 Electrónica ......................................................................................................................17

1.8 COMPONENTES ELECTRÓNICOS .............................................................................................18 1.8.1 Resistencias.....................................................................................................................18 1.8.2 Condensadores o capacitares...........................................................................................19 1.8.3 Diodos.............................................................................................................................19 1.8.4 LEDs...............................................................................................................................20 1.8.5 Transistores.....................................................................................................................20 1.8.6 Circuitos integrados ........................................................................................................21 1.8.7 Encapsulados ..................................................................................................................21

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1.9 RELOJ ..................................................................................................................................22 1.9.1 Introducción....................................................................................................................22 1.9.2 Unidad de medida: HERTZ..............................................................................................22 1.9.3 Ciclo de reloj...................................................................................................................22 1.9.4 Frecuencia de reloj..........................................................................................................23 1.9.5 Relación de la CPU y el reloj...........................................................................................23 1.9.6 Funcionamiento del reloj .................................................................................................23

1.10 BUS .....................................................................................................................................24 1.10.1 Arquitectura de buses ..................................................................................................24 1.10.2 Definición de bus.........................................................................................................24 1.10.3 Ancho de bus...............................................................................................................24 1.10.4 Bus de datos................................................................................................................25 1.10.5 Bus de direcciones.......................................................................................................25 1.10.6 Bus de control .............................................................................................................25

1.11 MEMORIAS...........................................................................................................................25 1.11.1 Introducción................................................................................................................25 1.11.2 Memoria ROM............................................................................................................26 1.11.3 Memoria PROM..........................................................................................................27 1.11.4 Memoria EPROM........................................................................................................27 1.11.5 Memoria FLASHROM.................................................................................................27 1.11.6 Memoria RAM.............................................................................................................28 1.11.7 Memoria DRAM..........................................................................................................28 1.11.8 Memoria SRAM...........................................................................................................29 1.11.9 Memoria caché............................................................................................................29 1.11.10 Memoria virtual ..........................................................................................................30

1.12 ENTRADA Y SALIDA ..............................................................................................................30 1.12.1 Introducción................................................................................................................30 1.12.2 Interrupciones .............................................................................................................30 1.12.3 Bus de entrada/salida ..................................................................................................31

1.13 CHIPSET ...............................................................................................................................32 1.13.1 Introducción................................................................................................................32 1.13.2 Chipset puente norte....................................................................................................33 1.13.3 Chipset puente sur .......................................................................................................33

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Módulo 1: Arquitectura de computadoras

Estructura de una computadora En este tema estudiaremos los principios básicos del funcionamiento de las microcomputadoras. Aunque la atención se concentrará en los microcomputadores, casi todos los conceptos e idea se aplicarán a computadoras de todos los tamaños.

¿Cómo piensan las computadoras? ¡Las computadoras no piensan! El programador ofrece un programa de instrucciones y datos que especifican todos lo detalles de lo que debe hacerse, para qué hacerlo y cuándo hacerlo. La computadora es simplemente una maquina de alta velocidad que puede manipular datos, resolver problemas tomar decisiones, todo bajo el control del programa. Si el programador comete un error en el programa o introduce los datos equivocados, la computadora producirá resultados erróneos. Un dicho popular en el campo de la computación es “si metes basura, obtienes basura”. Quizá una pregunta más adecuada que puede hacerse en este punto es: ¿cómo hace una computadora para ejecutar un programa de instrucciones? Comúnmente, esta interrogante se responde mostrando un diagrama de la arquitectura de una computadora y después incursionando paso a paso en el proceso que la computadora sigue al ejecutar el programa.

Cada computadora contiene cinco elementos o unidades esenciales. La unidad aritmética lógica (ALU), la unidad de memoria, la unidad de control, la unidad de entrada y la unidad de salida. La interconexión básica de estas unidades se muestra en la figura 1. Las flechas en este diagrama indican la dirección en la cual fluyen los datos, información o señales de control. Se usan dos flechas de diferentes tamaños; las flechas mayores representan daos o información que consisten en un número relativamente grande de líneas paralelas las líneas menores representan señales de control que, por lo general, son sólo una o unas cuantas líneas. Las diversas flechas también se enumeran para permitir un fácil acceso a ellas en las descripciones que siguen.

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Unidad aritmético­lógica La ALU es área de la computadora en la cual se realizan operaciones aritméticas y lógicas con datos. El tipo de operación que se realizará se determina por medio de la unidad de control (flecha 1). Los datos que serán utilizados por la ALU pueden provenir de la unidad de memoria (flecha 2) o de la unidad de entrada (flecha 3). Los resultados de operaciones realizadas en la ALU pueden transferirse a la unidad de memoria para se almacenados (flecha 4) o a la unidad de salida (flecha 5).

Unidad de memoria La memoria almacena grupos de dígitos (palabras) binarios que pueden representar instrucciones (programa) que la computadora ejecutará y los datos que serán operados por el programa. La memoria también sirve como almacenamiento de resultados intermedios y finales de operaciones aritméticas (flecha 4). La operación de la memoria es controlada por la unidad de control (flecha 6), que indica una operación de lectura o de escritura. Una localidad dada en la memoria se accede por la unidad de control, la cual, proporciona el código de dirección adecuado (flecha 7). Puede escribirse información en la memoria de la ALU o de la unidad de entrada (flecha 8), una vez más bajo el mando de la unidad de control. Puede leerse información de la memoria de la ALU (flecha 2) o de la unidad de entrada (flecha 9).

Unidades de entrada/salida La unidad de entrada consta de todos los dispositivos que se usan para tomar información y datos que son externos a la computadora y colocarlos en la unidad de memoria (flecha 8) o la ALU (flecha 3). La unidad de control determina hacia dónde se envía la información de entrada (flecha 10). La unidad de control se utiliza para meter el programa y los datos en la unidad de memoria antes de poner en marcha la computadora. Esta unidad se usa asimismo para introducir datos en la ALU desde un dispositivo externo durante la ejecución de un programa. Algunos de los dispositivos de entrada comunes son los teclados, interruptores, impresoras, lectoras de tarjetas perforadas, unidades de disco magnético, unidades de cinta magnética y convertidores de analógico a digital. La unidad de salida consta de los dispositivos que se usan para transferir datos e información de la computadora al “mundo exterior”. Los dispositivos de salida son dirigidos por la unidad de control (flecha 12) y pueden recibir datos de la memoria (flecha 9) o de la ALU (flecha 5), los cuales después se colocan en forma adecuada para su uso externo. Algunos ejemplos de dispositivos de salida comunes son dispositivos de exhibición LED, luces indicadoras, impresoras, unidades de disco o cinta, monitores de video, y convertidores de digital a analógico. Conforme la computadora ejecuta su programa, generalmente tiene resultados de señales de control que debe presentar al mundo exterior. Por ejemplo, un sistema de computación podría tener una impresora de líneas como dispositivos de salida. Aquí, la computación envía señales para imprimir los resultados en papel.

Unidad de control La función de la unidad de control ahora debe ser obvia. Dirige la operación de todas las otras unidades ofreciendo señales de temporización y control. En cierto sentido, la unidad de control es como el director de una orquesta, quien es el responsable de mantener a cada uno de los miembros de la orquesta en sincronización adecuada. Esta unidad contiene circuitos lógicos y de temporización que generan las señales adecuadas que se necesitan para ejecutar cada instrucción en un programa. La unidad de control extrae una instrucción de la memoria, mediante el envío de una dirección (flecha 7) y un comando de lectura (flecha 6) a la unidad de memoria. La palabra de instrucción almacenada en la localidad de la memoria se transfiere después a la unidad de control (flecha 11). Esta palabra de instrucción, la cual está en alguna forma de código binario es decodificada

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después por los circuitos lógicos de la unidad de control para determinar qué instrucción es solicitada, la unidad de control utiliza esta información para generar las señales necesarias para ejecutar la instrucción. Esta secuencia de búsqueda y acarreo de un código de instrucción y luego la ejecución de la operación indicada, la repite una y otra vez la unidad de control figura 2. Esta secuencia repetitiva de búsqueda y ejecución continúa hasta que se apaga la computadora o hasta que la unidad de control recibe y carga una instrucción que le ordena se detenga. Entonces, como vemos, la computadora continúa efectuando las mismas operaciones básicas una y otra vez: búsqueda, ejecución, búsqueda, ejecución, etcétera. Por supuesto, los diversos ciclos de ejecución serán distintos para cada tipo de instrucción, conforme la unidad de control envía señales diferentes a las otras unidades para ejecutar la instrucción particular.

Unidad central de proceso En la figura 1 la ALU y la unidad de control se muestran combinadas en la llamada unidad central de procesos o (CPU). Lo anterior se hace comúnmente para separar los cerebros de la computadora de otras unidades. En una microcomputadora la CPU es usualmente un solo microcircuito el microprocesador o a lo más el microprocesador con uno o dos microcircuitos adicionales.

Interfases Los componentes que constituyen las unidades de entrada y salida se llaman periféricos, porque están en el exterior del resto de la computadora. El aspecto más importante de los periféricos incluye interfases. La interfase con la computadora se define específicamente como transmisión de información digital entre una computadora y sus periféricos en una forma compatible y sincronizada. Muchos dispositivos de entrada y salida no tienen compatibilidad con la computadora debido a diferencias en características tales como velocidad de funcionamiento, formato de datos (por ej. BCD, ASCII, binario) modo de transmisión de datos (por ejemplo en serie o en paralelo) y nivel de señales lógicas. Esos dispositivos de E/S requieren circuitos especiales de interfase que les permiten comunicarse con las secciones de control, memoria y ALU del sistema de la computadora.

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Matemática digital

Sistemas numéricos En la tecnología digital se utilizan muchos sistemas de números. Los más comunes son los sistemas decimal, binario, octal y hexadecimal. El sistema decimal es sin duda el más conocido por nosotros, ya que es una herramienta de uso cotidiano. Si analizamos algunas de sus características, podremos entender mejor los otros sistemas.

Sistema decimal El sistema decimal se compone de 10 numeral o símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; al utilizar estos símbolos como dígitos de un número podemos expresar cualquier cantidad. El sistema decimal, también conocido como sistema de base 10, evolucionó en forma natural a partir del hecho de que el ser humano tiene 10 dedos en las manos. El sistema decimal es un sistema de valor posicional en el cual el valor de un digito depende de su posición. Por ejemplo consideremos el número decimal 453. Sabemos que el dígito 4 en realidad representa 4 centenas, el 5 representa 5 decenas y por el último 3 unidades. En esencia, el 4 pesa más de los 3 digitaos, a éste se lo conoce como el dígito más significativo (MSD, most significant digit). El número 3 tiene el valor menor y se denomina dígito menos significativo (LSD, less significant digit). Para expresar esto de una forma más matemática, tenemos que las diferentes posiciones relativas en un número decimal se pueden expresar como potencias de 10. Esto los podemos ver con el siguiente ejemplo donde el numero 2745 es igual a (2x10 3 )+(7x10 2 )+(4x10 1 )+(5x10 0 ). En términos generales, cualquier número es simplemente la suma de los productos de cada dígito y su valor posicional.

Sistema binario El sistema numérico decimal no se presta para una instrumentación conveniente en los sistemas digitales. Por ejemplo, resulta muy difícil diseñar equipo electrónico que pueda funcionar con 10 diferentes niveles de voltaje (cada uno representando un carácter, de 0 a 9) Por otro lado, es muy fácil diseñar circuitos electrónicos sencillos y precisos que operen con sólo dos niveles de voltaje. Por esta razón, casi todos los sistemas digitales utilizan el sistema numérico binario (base 2) de sus operaciones, aunque con frecuencia se emplean otros sistemas conjuntamente con el binario. En el sistema binario sólo hay dos símbolos o posibles valores de dígitos, 0 y 1. No obstante, este sistema de base 2 se puede utilizar para representar cualquier cantidad que se denote en sistema decimal o algún otro sistema numérico. En general, se necesitarán muchos dígitos binarios para expresar una cantidad determinada. Todos los enunciados anteriores en relación con el sistema decimal se aplican de la misma manera al sistema binario. Este es también un sistema de valor posicional, en donde cada dígito binario tiene su propio valor expresado como potencia de 2. De esta forma para determinar el valor de un número binario en decimal simplemente tomamos la suma de los productos de cada valor digital (0 o 1) y su valor posicional. Así por ejemplo el 10112 será igual a (1x2 3 )+(0x2 2 )+(1x2 1 )+(1x2 0 ) = 1110

Sistema hexadecimal El sistema hexadecimal emplea la base 16, Así, tiene 16 posibles símbolos digitales. Utiliza los dígitos del 0 al 9 más las letras A, B, C, D, E y F como sus 16 símbolos digitales. La figura 4 muestra las relaciones entre los sistemas hexadecimal, decimal. Nótese que cada dígito hexadecimal representa un grupo de cuatro dígitos binarios y es aquí donde radica la importancia de este sistema numérico.

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Al igual que en los sistemas anteriores este también es un sistema de valor posicional, en donde cada dígito tiene su propio valor expresado como potencia de 16. Es importante recordar que los dígitos hexadecimales de A a F son equivalentes a los valores decimales de 10 a 15. De esta forma para determinar el valor de un número hexadecimal en decimal simplemente tomamos la suma de los productos de cada valor digital (0 a F) y su valor posicional. Así por ejemplo el 2AF será igual a (2x16 2 )+(10x16 1 )+(15x16 0 ) = 68710.

Conversión entre los diferentes sistemas

Conversiones de binario a decimal

Como vimos anteriormente, el sistema de numeración binario es un sistema posicional donde cada dígito puede convertirse a su equivalente decimal, simplemente sumando en el número binario las diversas posiciones que contenga un 1. Para ilustrar lo anterior consideremos el siguiente ejemplo:

1 1 0 1 0 2 = 2 4 + 2 3 + 0 + 2 1 + 2 0 = 2610

Nótese que el procedimiento consiste en determinar los valores de cada posición de bit que contenga un 1 y luego sumarlos.

Conversiones de decimal a binario

Existen dos maneras de convertir un número decimal entero a su representación equivalente en el sistema binario. El primer método es inverso al proceso descrito anteriormente. El numero decimal se expresa simplemente como un suma de potencias de 2 y luego los unos y los ceros se escriben en las posiciones adecuadas de los bits. Para ilustrar consideramos el siguiente ejemplo:

4510 = 32 + 8 + 4 + 1 = 2 5 + 0 + 2 3 + 2 2 + 0 + 2 0 = 1 0 1 1 0 1 2

Obsérvese que se coloca un 0 en las posiciones 2 1 y 2 4 , ya que todas las posiciones deben tomarse en cuenta. Otro método emplea la división repetida por 2. La conversión, que se ilustra a continuación para 2510, requiere repetidamente el número decimal entre 2 y que se escriban los residuos después de cada división hasta que se obtenga un cociente de 0.

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Nótese que el resultado binario se obtiene al escribir el primer residuo como el bit menos significativo y el último como el bit más significativo.

25 / 2 = 12 + residuo de 1 12 / 2 = 6 + residuo de 0 6 / 2 = 3 + residuo de 0 3 / 2 = 1 + residuo de 1 1 / 2 = 0 + residuo de 1

Así quedaría: 2510 = 1 1 0 0 1 2

Conversión de hexadecimal a decimal

Un número hexadecimal se puede convertir a su equivalente decimal utilizando el hecho de que cada posición de los dígitos hexadecimal tiene un valor que es una potencia de 16. El digito menos significativo tiene un valor de 160 = 1; el siguiente digito en secuencia tiene un valor de 161 = 16; el siguiente tiene un valor de 162 = 256 y así sucesivamente. El proceso de conversión se demuestra en los ejemplos que siguen:

35616 = 3x16 2 + 5x16 1 + 6x16 0 = 768 + 80 + 6 = 85410

2AF16 = 2x16 2 + 10x16 1 + 15x16 0 = 512 + 160 + 15 = 68710

Conversión de decimal a hexadecimal

Recuerde que efectuamos la conversión de decimal a binario por medio de la división repetida entre 2 y de decimal a octal por medio de la división repetida entre 8. De igual manera, la conversión de decimal a hexadecimal se puede efectuar por medio de la división repetida entre 16. Los dos ejemplos siguientes ilustrarán esto:

423 / 16 = 26 + residuo 7 26 / 16 = 1 + residuo 10 1 / 16 = 0 + residuo 1

quedando: 42310 = 1 A 7 16

214 / 16 = 13 + residuo 6 13 / 16 = 0 + residuo 13

quedando: 21410 = D 6 16

Conversión de hexadecimal a binario

Al igual que el sistema de numeración octal, el sistema hexadecimal se usa principalmente como método “taquigráfico” en la representación de números binarios. Es una tarea relativamente simple la de convertir un número hexadecimal en binario. Cada dígito hexadecimal se convierte en su equivalente binario de 4 bits. Esto se ilustra a continuación para el número 9F216

9F216 = 9 F 2 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 = 1001111100102

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Conversión de binario a hexadecimal

Esta conversión es exactamente la operación inversa del proceso anterior. El número binario se agrupa en conjuntos de cuatro bits y cada grupo se convierte a su dígito hexadecimal equivalente. Cuando es necesario se añaden ceros para completar un grupo de cuatro bits. Por ejemplo:

11101001102 = 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 3 A 6

= 3A616

Lenguaje de máquina

Introducción La unidad de control más pequeña de una computadora es el bit. Sin embargo, un solo bit conlleva muy poca información. Por esta razón, la unidad principal de información en una computadora es un grupo de bits a los cuales se les da el nombre de palabra. El número de bits que forman la palabra recibe el nombre de tamaño de la palabra. El tamaño de la palabra es una manera de describir una computadora. Es frecuente que las computadoras sean descritas en términos de su tamaño de la palabra, tales como computadoras de 8 bits, computadora de 16 bits, etc. Por ejemplo, una computadora de 16 bits es aquella en la que las instrucciones y datos se almacenan en la memoria en unidades de 16 bits, y son procesador por la CPU también en unidades de 16 bits. El tamaño de la palabra también indica el tamaño del canal de datos que lleva los datos entre la CPU y la memoria y entre la CPU y los dispositivos de entrada/salida. Las computadoras más grandes y complejas (mainframes y supercomputadoras) tienen tamaños de palabra que por lo general se encuentran entre 32 y 64 bits. El tamaño de palabra en las nuevas microcomputadoras varía entre 16 y 32 bits. En general, una computadora con tamaño de palabra mayor, puede ejecutar programas a una mayor velocidad, debido a la mayor cantidad de datos e instrucciones que caben dentro de la palabra. Sin embargo, un tamaño de palabra mayor también significa mayor número de conexiones entre la CPU, la memoria y los dispositivos de entrada/salida. Como sabemos, un grupo de 8 bits se denomina byte. Dado que las microcomputadoras de 8 bits se han utilizado durante mucho tiempo, y debido a que los códigos ASCII ocupan sólo un byte, éste se sigue empleado para describir el tamaño de la palabra y la capacidad de memoria, aun en computadoras que tienen un tamaño de palabra mayor. Puede decirse que una computadora de 8 bits tiene un tamaño de palabra de 1 byte. Una computadora de 16 bits tiene un tamaño de palabra de dos bytes y así sucesivamente.

Tipos de palabra Una palabra almacenada en la memoria de la computadora puede contener dos clases de información – instrucciones o datos. Los datos pueden ser numéricos o de información de caracteres y serán procesados por el programa que está ejecutando la CPU. Éstos pueden encontrarse en muchos formatos, entre los que se incluyen representaciones binarias con o sin signo, BCD, de punto flotante, o códigos ASCII para caracteres, entre otros. He aquí un ejemplo de cómo se almacena en una palabra de 8 bits el número

+8610 = 01010110

El siguiente muestra la forma en que se almacena el código ASCII correspondiente al carácter “V” en una palabra de 8 bits.

“V” = 01010110

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Observe que las dos palabras son idénticas. La computadora desconoce la diferencia entre ambas. Es responsabilidad del programador saber qué tipo de dato está almacenado en la memoria y asegurarse de que el programa interprete y procese los datos de manera apropiada. A continuación se proporciona otro ejemplo donde se almacenan en una palabra de 16 bits dos caracteres codificados en ASCII:

0101011001010111

“V” “W”

La misma palabra de 16 bits bien podría ser la representación del número +2210310. De lo anterior resulta claro que entre más grande sea el tamaño de la palabra mayor será el número de caracteres así como la magnitud de los números que se pueden almacenar en ella. Las palabras que guardan instrucciones son más complejas que las que sólo contienen datos.

Palabra de datos Además de datos numéricos, una computadora debe ser capaz de manejar información no numérica. En otras palabras, una computadora debe reconocer códigos que representan letras del alfabeto, signos de puntuación y otros caracteres especiales, además de los números. Estos códigos se denominan códigos alfanuméricos. Un código completo de este tipo puede incluir 26 letras minúsculas, 26 mayúsculas, 10 dígitos, 7 signos de puntuación y entre 20 y 40 caracteres más, cómo +, /, # y otros similares.

El código alfanumérico más utilizado en la mayoría de las microcomputadoras y minicomputadoras y en muchos sistemas grandes de cómputo es el Código Americano Estándar para el Intercambio de Información (ASCII). El código ASCII usa 7 bits, por tanto tiene 2 7 = 128 grupos de posibles códigos. Esta cantidad es más que suficiente para representar todos los caracteres de un teclado estándar y las funciones de control como <ENTER>. Además del código binario para cada símbolo, la tabla también proporciona sus equivalentes en octal y en hexadecimal.

El código ASCII se emplea para transferir información alfanumérica entre una computadora y dispositivos de entrada/salida como terminales o impresoras. Una computadora también lo emplea internamente para guardar la información que el operador proporciona mediante el teclado. El siguiente ejemplo ilustra lo anterior.

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Palabra de instrucción El formato que se utiliza con palabras de datos sólo varía ligeramente entre diferentes computadoras, especialmente en aquellas con el mismo tamaño de palabra. Sin embargo, no sucede lo mismo con el formato de las palabras de instrucción. Estas palabras contienen la información necesaria para que una computadora ejecute sus diversas operaciones, el formato y código de éstas puede variar ampliamente de una computadora a otra. Dependiendo de la computadora, la información contenida en una palabra de instrucción puede ser diferente. Pero, para la mayoría de las computadoras, las palabras de instrucción llevan dos unidades básicas de información: la operación que se realizará y la dirección del operando (datos) con el cual se operará.

La figura 3 muestra un ejemplo de una palabra de instrucción de una computadora hipotética de 20 bits. Los 20 bits de palabra de instrucción se dividen en dos partes. La primera parte de la palabra (bits 16 al 19) contiene él código de operación. El código de operación de 4 bits representa la operación que a la computadora se le pide ejecutar, como la adición o sustracción. La segunda parte (bits 0 a 15) es la dirección de operando, que representa la localidad en la memoria donde se almacena el operando.

figura 3

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Lógica binaria

Introducción Como se indicara anteriormente, los circuitos digitales (lógicos) operan en modo binario donde cada voltaje de entrada y salida es un 0 o un 1; las designaciones 0 y 1 representan intervalos predefinidos de voltaje. Esta característica de los circuitos lógicos nos permite utilizar el álgebra booleana como herramienta para el análisis y diseño de sistemas digitales. En este tema estudiaremos las compuertas lógicas, que son los circuitos lógicos más fundamentales, y observaremos cómo puede describirse su operación mediante el uso del álgebra booleana. También veremos cómo pueden combinarse las compuertas lógicas para producir circuitos lógicos y cómo pueden describirse y analizarse estos circuitos por medio del álgebra booleana.

El álgebra booleana difiere de manera importante del álgebra ordinaria en que las constantes y variables booleanas sólo pueden tener dos valores posibles, 0 o 1. Una variable booleana es una cantidad que puede, en diferentes ocasiones, ser igual a 0 o a 1. Las variables booleanas se emplean con frecuencia para representar el nivel de voltaje presente en un alambre o en las terminales de entrada y salida de un circuito. Por ejemplo, en cierto sistema digital el valor booleano de 0 podría ser asignado a cualquier voltaje en el intervalo de 0 a 0.8 V, en tanto que el valor booleano de 1 podría asignarse a cualquier voltaje en el intervalo de 2 a 5 V.

Así pues, el 0 y el 1 booleanos no representan número sino que en su lugar representan la esta de una variable de voltaje o bien lo que se conoce como su nivel lógico. Se dice que un voltaje digital en un circuito digital se encuentra en el nivel lógico 0 o en el 1, según su valor numérico real.

Operaciones básicas Ya que sólo puede manejar dos valores, el álgebra booleana es relativamente fácil de manejar en comparación con la ordinaria. En el álgebra booleana no hay fracciones, decimales, números negativos, raíces cuadradas, raíces cúbicas, logaritmos, número imaginarios, etc. De hecho en el álgebra booleana sólo existen tres operaciones básicas: OR, AND y NOT.

Estas operaciones básicas se llaman operaciones lógicas. Es posible construir circuitos digitales llamados compuertas lógicas que con diodos, transistores y resistencias conectados de cierta manera hace que la salida del circuito sea el resultado de una operación lógica básica (AND, OR, NOT) sobre la entrada. Usaremos el álgebra booleana primero para describir y analizar estas compuertas lógicas básicas y más tarde para analizar combinaciones de compuertas lógicas conectadas como circuitos lógicos.

Operación AND En la figura 4 podemos observar la tabla de verdad para dos entradas y el símbolo de la compuerta. La salida de la compuerta AND es igual al producto AND de las entradas lógicas; es decir, x =AB. En otras palabras, la compuerta AND es un circuito que opera en forma tal que su salida es ALTA sólo cuando todas sus entradas son ALTAS. En todos los otros casos la salida de la compuerta AND es baja.

figura 4

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Esta misma operación es característica de las compuertas AND con más de dos entradas. Por ejemplo la compuerta AND de tres entradas y su respectiva tabla de verdad se muestran en la figura 5. Una vez más note que la salida de la compuerta es 1 sólo en el caso en que A = B = C = 1. La expresión para la salida es x = ABC. Para una compuerta AND de cuatro entradas, la salida es x = ABCD, y así sucesivamente.

figura 5

Nótese la diferencia que existe entre los símbolos para las compuertas AND y OR. Siempre que vea un símbolo AND en un diagrama de circuito lógico, éste indica que la salida pasará a ALTO sólo cuando todas las entradas estén en ALTO. Siempre que vea el símbolo OR, esto significa que la salida será ALTA cuando cualquier entrada sea ALTA.

Operación OR En un circuito digital la compuerta OR es un circuito que tiene dos o más entradas y cuya salida es igual a la suma OR de las entradas. La figura 6 muestra es símbolo y la correspondiente tabla de verdad. Para explicarlo cómo opera la compuerta OR, decimos que opera en tal forma que su salida es ALTA (nivel lógico 1) si la entrada A, B o ambas están en un nivel lógico 1. La salida de la compuerta OR será BAJA (nivel lógico 0) si todas sus entradas están en el nivel lógico 0.

figura 6

Esta misma idea puede ampliarse a más de dos entradas. La figura 7 muestra una compuerta OR de tres entradas y su tabla de verdad. El análisis de esta tabla muestra una vez más que la salida será 1 en cualquier caso donde una o más entradas sean 1. Este principio general es lo mismo que rige para compuertas OR con cualquier número de entradas.

figura 7

Mediante el uso del lenguaje del álgebra bolean, la salida x puede expresarse como x = A + B + C, donde se hace hincapié en que el signo + representa la operación OR.

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1.1.1 Operación NOT La operación NOT difiere de las operaciones OR y AND en que ésta puede efectuarse con una solo variable de entrada. La figura 8 muestra el símbolo para este circuito, al cual más comúnmente se le llama INVERSOR. Este circuito siempre tiene una sola entrada y su nivel lógico de salida siempre es contrario al nivel lógico de entrada.

figura 8

Circuitos lógicos

Introducción Cualquier circuito lógico, sin importar que tan complejo sea, puede describirse completamente mediante las operaciones que se definieron anteriormente, ya que los circuitos de las compuertas OR, AND y NOT son los elementos básicos de los sistemas digitales. Por ejemplo considere la figura 9. Este circuito contiene tres entradas A, B y C y una sola salida, x. Al utilizar la expresión booleana para cada compuerta, podemos determinar con facilidad la expresión para la salida. Asi teniendo que para la compuerta AND la expresión se escribe AB (o A por B). Luego esta salida AND se conecta como entrada a la compuerta OR junto con C, otra entrada. La compuerta OR opera con sus entradas como la suma OR. Así podemos expresar la salida OR como x = (AB) + C. Para evitar confusiones en el orden de las operaciones utilizamos los paréntesis, vemos la diferencia con la operación de la figura 10.

figura 9

figura 10

Siempre que un INVERSOR se encuentra presente en un diagrama de circuitos lógicos, su expresión de salida es igual a su expresión de entrada con una barra sobre ella, como se ve en la figura 11. Esta figura muestra dos ejemplos utilizando INVERSORES. En la primera, la entrada se alimenta a través de un INVERSOR. La salida del inversor se alimenta a una compuerta OR junto con B, de modo que la salida OR sea igual a A + B. Note que la barra solo esta sobre A, lo cual indica que A se invierte primero y luego se hace la operación con OR con B. En el siguiente circuito, en cambio, la operación NOT se aplica sobre la salida del OR. Por lo que la expresión será ( A + B ), ya que invierte la expresión de entrada completa.

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figura 11

Desarrollo de circuitos

Transmisiones

Transmisiones en serie Se llama transmisión serie a aquella en que los datos se envían a través de un solo alambre, donde cada bit se envía uno detrás de otro constituyendo una secuencia de bits de transmisión. Este tipo de comunicación se utiliza en el sistema telefónico, debido a que éste proporciona un alambre para cada uno de los sentidos de transmisión.

Puerto serie

La interfaz serial asíncrona es el principal puerto de comunicaciones entre sistemas. Asíncrona (o asincrónica) significa que no hay presente una señal de sincronización o de reloj, por lo tanto los caracteres (Bytes) pueden enviarse en intervalos arbitrarios.

Cada caracter ( Byte ) que se envía a través de una conexión serial está delimitado por una señal de inicio y una de paro. Un solo bit 0 , denominado bit de inicio, precede a cada caracter indicando al sistema receptor que los siguientes 8 bits constituyen un byte de datos. Al carácter le siguen uno o dos bits de paro señalar que el envío del carácter ha finalizado.

Los puertos seriales pueden conectarse a gran diversidad de dispositivos como módems, plotters, impresoras, otras computadoras, lectores de códigos de barras. Básicamente cualquier dispositivo que necesite una conexión bi­direccional hacia la PC utiliza el puerto serial estándar de la industria con el número de Referencia Estándar 232 revisión (Norma RS­232c). Esta norma permite transferencias entre dispositivos asegurando su compatibilidad.

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Transmisiones en paralelo Se llama transmisión paralelo a aquella en que los datos se envían a través de varios alambres, en ráfagas de varios bits al mismo tiempo formando secuencias de bytes.

Puerto paralelo:

El puerto paralelo de la PC tiene ocho líneas para enviar de manera simultánea todos los bits que comprenden un byte de datos, a través de los ocho alambres. Esta es una interfaz rápida y tradicionalmente se ha utilizado para las impresoras. Se utiliza también para transferir datos entre dos sistemas. Aunque el puerto paralelo es rápido tiene la desventaja de que sus cables no pueden ser de gran extensión sin que se tenga la necesidad de amplificar la señal, de lo contrario ocurrirían errores de datos.

Los conectores que se utilizan son similares a los de los puertos serie. Se utilizan los conectores estándares de la IEEE 1284 (Instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos) , que especifica conectores de tipo A (DB 25) ,de tipo B como conector Centronics de 36 pines y el conector de tipo C, que es un conector de alta densidad utilizado principalmente por las impresoras de HP.

Nociones básicas de electricidad y electrónica

Electricidad Una computadora utiliza corriente eléctrica para funcionar, esta corriente es suministrada normalmente por el tomacorrientes que se conecta a la pared (Corriente Alterna) la cual pasa normalmente por un transformador que la convierte en Corriente continua, que es la que utilizan todos los circuitos electrónicos digitales que componen la computadora.

Definimos como "corriente eléctrica" al desplazamiento ordenado de electrones, a través de un elemento conductor, lo cual supone que dichos electrones deberán ser desprendidos de los átomos, transformándose en "electrones libres".

Intensidad, potencia y resistencia

La fuerza necesaria para desprender dichos electrones y lograr que estos se desplacen, se denomina "Voltaje" (se mide en Voltios (V)), o tensión eléctrica, o también diferencia de potencial. Dicha tensión eléctrica se genera, o es suministrada por un generador eléctrico, o batería o fuente eléctrica.

Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para recorrerla. Su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

Corriente alterna y continua Este tipo de corriente o señal eléctrica se caracteriza por tener una forma aplanada y su valor se mantiene invariable en el tiempo, lo cual podemos ver en la figura, semejante a una línea recta La corriente continua, puede siempre positiva o siempre negativa

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Esta forma de onda eléctrica se denomina senoidal y se caracteriza por la alternancia de valores desde cero, hasta un valor máximo positivo, luego pasa por cero de nuevo, luego llega hasta un valor máximo pero negativo, y por último termina en cero nuevamente.

Existen muchos tipos de componentes electrónicos, los siguientes los podemos encontrar en de la una Computadora, normalmente soldados a alguna placa o insertados en algún lugar diseñado para ello.

Electricidad estática Se denomina electricidad estática al exceso de carga eléctrica que acumulan determinados materiales, normalmente por rozamiento (por ejemplo, al frotar un bolígrafo con el cabello humano), y que no puede escapar de ellos. Recibe este nombre porque se refiere a electrones que cambian de lugar acumulándose, más que a los que fluyen en una corriente eléctrica. En un objeto sin carga de electricidad estática, todos los átomos tienen un número normal de electrones. Si alguno de los electrones se transfiere a otro objeto, por ejemplo, al frotar o cepillar con fuerza, el otro objeto se carga negativamente en tanto que el objeto que pierde sus electrones se carga positivamente. Entonces se crea un campo eléctrico alrededor de cada objeto.

Circuitos eléctricos Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas.

Electrónica La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números u otros datos en un ordenador o computadora.

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Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel que se pueda utilizar; el generar ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control, como en el caso de introducir una señal de sonido a ondas de radio (modulación), y operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar en las computadoras

Componentes electrónicos

Resistencias Un conductor perfecto no pone ningún obstáculo a la corriente. Sin embargo, en la practica, los materiales ofrecen cierta resistencia al paso de los electrones.

Como su nombre lo indica, las resistencias se oponen al paso de la corriente.

Figura: las banditas que los rodean indican, según un código de color, el valor en OHms de dicha resistencia.

Los Cables Conductores eléctricos, también presentan una cierta resistencia al paso de la corriente

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Condensadores o capacitares Un condensador (o capacitor) es como un depósito donde se pueden acumular electrones. Un condensador sencillo esta formado por dos placas metálicas, o “armaduras”. El efecto, de acumular electrones, se potencia si entre las placas hay un material dieléctrico, es decir, que tiende a polarizarse asumiendo carga negativa en un lado y positiva en el otro.

Un condensador acumula carga cuando recibe tensión eléctrica y mantiene esa carga por un determinado período de tiempo. La capacidad de un condensador para acumular carga eléctrica se mide en faradios (símbolo F)

Nota: El principio de funcionamiento de un capacitor se utiliza para las memorias DRAM que se verán mas adelante

Diodos Un diodo es una vía de sentido único para la corriente, que puede fluir solo desde el terminal llamado ánodo(A) hacia el terminal cátodo (K) y no al revés.

Figura: Diodos y su símbolo, la corriente puede pasar solo en el sentido de la flecha

La figura de la izquierda muestra los distintos tipos de condensadores y se puede ver que su capacidad esta indicada en su superficie: arriba­izquierda 10 microfaradios, abajo­izquierda 3,3 picofaradios. Además los capacitores tienen un voltaje máximo que pueden soportar.

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El símbolo del diodo, con forma de flecha, indica el sentido del recorrido. El sentido de la corriente por convención va de positivo a negativo.

Aplicando tensión inversa, es decir, con el positivo en el cátodo, el diodo se comporta como un aislante: no deja pasar corriente.

Uno de los usos del diodo consiste en rectificar la corriente alterna, dejando pasar solamente la mitad(una semionda) positiva.

LEDs Los LEDs son diodos muy especiales. Fueron desarrollados solo hace unos cuantos años. No usan ni silicio ni germanio como los diodos normales, sino que usan compuestos especiales de galio. Su intención no es de cortar la corriente en la dirección invertida, Pero cuando son polarizados en sentido directo emiten luz.

Transistores Los transistores funcionan gracias de materiales semiconductores, como el silicio o el germanio, son sustancias a mitad de camino entre los conductores y los aislantes

Los transistores comunes tienen tres patitas las cuales se llaman: BASE, EMISOR y COLECTOR.

El principio básico de funcionamiento, aunque simplificado aquí, es:

Suministrándole una débil tensión en la base se logra que la corriente aplicada en el emisor sea recibida en el colector. El transistor es algo así como una llave electrónica la cual cierra el circuito emisor­colector cuando se la aplica una tensión determinada a la base. Los transistores pueden ser de tipo PNP, o NPN.

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Los transistores fueron un gran avance de la electrónica y reemplazaron a las antiguas válvulas de vacío, las cuales ocupaban muchísimo espacio y consumían enorme cantidad de energía.

Los circuitos integrados reemplazan en gran media a todos estos componentes y algunos contienen millones de componentes miniaturizados. Por ejemplo un Pentium contiene 3.1 millones de transistores y un Pentium II contiene 7.5 millones

Circuitos integrados Los Circuitos Integrados (CI) son circuitos electrónicos miniaturizado y contenido en una pequeña cápsula de Plástico o Cerámica de la cual emergen pequeñas patas o pines para su conexión

La palabra CHIP, no tiene traducción exacta, pero podemos entenderla como "pequeña cosa".

Encapsulados Los Chips suelen venir en diferentes tipos de encapsulados, los más habituales son:

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DIPP: Dual Inline Pin Package (encapsulado de pines en doble línea). Ver Figura (a)

SIPP: Single Inline Pin Package (encapsulado de pines en linea) Ver Figura (b)

PGA: Pin Grid Array (Matriz de pines), normalmente los microprocesadores utilizan este tipo de encapsulado. Ver Figura (c)

Reloj

Introducción Los sistemas digitales pueden operar en forma asíncrona o síncrona. En los sistemas asíncronos, las salidas de los circuitos lógicos pueden cambiar de estado en cualquier momento en que una o mas de las entradas cambie. En los sistemas síncronos los tiempos exactos en que alguna salida puede cambiar de estado se determinan por medio de una señal denominada reloj o clock. Esta señal de reloj consiste en una serie de pulsos rectangulares o cuadrados como se muestra en la figura.

Unidad de medida: HERTZ Unidad de medición de frecuencia, abreviada Hz. Sinónimo de ciclos por segundo.

Es la velocidad de cambio en el estado o ciclo en una onda de sonido, onda cuadrada, corriente alterna o en otra forma de onda cíclica.

Ciclo de reloj Denominaremos periodo: al tiempo entre transiciones sucesivas en la misma dirección, es decir, entre dos flancos de subida o entre dos flancos de bajada. La transición de estado en los circuitos secuenciales síncronos se efectúan en el momento en el que el reloj hace una transición entre 0 y 1 (flanco de subida) o entre 1 y 0 (flanco de bajada). Entre pulsos sucesivos de reloj no se efectúan cambios.

a)DIPP b) SIPP c) PGA

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Frecuencia de reloj El inverso del periodo es lo que denominamos la frecuencia del reloj. Se mide en Hertz (Hz) y sus múltiplos: MHz, Khz

F= 1/P

Donde P es el periodo y F es la frecuencia

Ejemplo: Un reloj con un periodo de 20 ns (nanosegundos) tiene una frecuencia de 50 Hz(hertz)

Relación de la CPU y el reloj El microprocesador ejecuta permanentemente una instrucción tras otra según le dicten los programas de aplicación. Es necesario para ejecutar esas instrucciones que el microprocesador reciba una especie de "Pulso Cardíaco" que le marque el ritmo de proceso.

Este pulso cardíaco es proporcionado por un dispositivo externo denominado Clock. Una instrucción puede tomar uno o más pulsos de Clock.

La señal de reloj debe ser una onda cuadrada de periodo fijo. El periodo determina la frecuencia a la que trabaja el microprocesador.

La velocidad de Reloj para este caso se mide en MegaHertz. Ejemplo: 200 MHz (Doscientos millones de pulsos por segundo) y cuanto mayor sea esta, mayor será la velocidad de proceso de la Computadora.

Funcionamiento del reloj Un circuito y un oscilador de cristal controlan las velocidades de reloj usando un pieza del cuarzo contenida en lo que parece una pequeña lata. Mientras que el voltaje se aplica al cuarzo, comienza a vibrar (oscilar) en una tarifa armónica dictada por la forma y el tamaño del cristal (astilla).

Cuando son importantes la exactitud y la estabilidad de la frecuencia de oscilación, se utiliza un oscilador de cristal de cuarzo. El causante de la vibración de un cristal de cuarzo es el efecto

Cristales de Cuarzo

Circuito generador

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piezoeléctrico por el cual, al aplicar una tensión al cristal, éste vibra a la frecuencia de la tensión aplicada. Y de forma inversa, si se les obliga a que vibren, generan una tensión alterna de la misma frecuencia.

Cuando la precisión en la frecuencia de oscilación no es crítica, en lugar de utilizar cristales de cuarzo puede ser rentable elegir resonadores cerámicos, en general más baratos.

Como la forma natural del cristal de cuarzo es un prisma hexagonal con pirámides en los extremos, se debe cortar una lámina rectangular del cristal natural para tener uno útil. El número de láminas obtenidas de un cristal depende de su tamaño y del ángulo de corte. Y cada corte tiene diferentes propiedades piezoeléctricas. La lámina se monta entre dos placas de metal, y la vibración del cristal dependerá de la frecuencia de la tensión aplicada. Al cambiar la frecuencia podemos encontrar frecuencias de resonancia a las cuales las vibraciones del cristal alcanzan un punto máximo.

Bus

Arquitectura de buses Todos los componentes de hardware en una PC se comunican entre si por medio de señales electrónicas, las señales que se envían pueden ser para controlar ciertas funciones (Ejemplo: Activar escritura), direccionamiento (Ejemplo: indicarle a la memoria RAM en que lugar se deben escribir los datos) o simplemente para mandarse datos entre ellos (Ejemplo: mandar datos desde el CPU hacia la memoria), para todo ello se utilizan canales comunes de comunicación y a esos canales se los denomina BUS

Definición de bus Un BUS es una trayectoria común a través de la cual pueden viajar los datos dentro de una computadora: Esta trayectoria se emplea para comunicaciones y puede establecerse entre dos o más elementos de la computadora. Físicamente un BUS es un conjunto de líneas de comunicación (estas pueden ser cables, alambres, circuitos impresos)

A través del BUS se conectan las diferentes partes entre sí y con la unidad de control (microprocesador) la cuál se encarga de gestionar el funcionamiento coordinado del conjunto.

Ancho de bus Se llama ancho de un BUS a la cantidad de bits que puede transmitir simultáneamente. Un BUS de mayor cantidad de bits es capaz de transmitir más datos en menos tiempo, ya que, por ejemplo un Bus de 16 bits transmite simultáneamente 16 bits de información en un determinado tiempo , que a un bus de 8 bits le llevaría el doble de tiempo.

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Un BUS de mayor cantidad de bits es capaz de transmitir más datos en menos tiempo, ya que, por ejemplo un BUS de 16 bits transmite simultáneamente 16 bits de información en un determinado tiempo, que a un BUS de 8 bits le llevaría el doble de tiempo.

Bus de datos Lleva información (datos bytes) desde y hacia el microprocesador, por esto se dice que es "BIDIRECCIONAL". Siempre tiene una cantidad de hilos igual a 8, 16, 32 o 64, pudiendo así transportar según su ancho un byte, dos bytes, cuatro bytes u ocho bytes al mismo tiempo. De aquí deducimos que cuanto más ancho (más hilos) tenga este BUS, mayor ser la velocidad de la máquina.

Bus de direcciones Permite al microprocesador seleccionar una de las tantas posiciones de Memoria para lectura o escritura. La selección se efectúa mediante una combinación de pulsos de 0 V y 5 V presentes en dichas patas. Es un BUS "UNIDIRECCIONAL" ya que las direcciones solamente salen del microprocesador y son leídas por los periféricos. Cuanto más ancho sea este BUS (más patas tenga) mayor ser la cantidad de Memoria que el microprocesador puede Direccionar (o encontrar), esto nos determina la cantidad de memoria máxima.

Bus de control Consiste en un conjunto de señales individuales con las que el microprocesador controla los dispositivos externos y mediante las cuales se pone de acuerdo con ellos (Handshaking) para la efectuar transferencia de información. De estas señales algunas son entrantes y otras son salientes al microprocesador.

Es importante recalcar que todo periférico o controlador de periférico debe estar conectado a estos tres BUSES para poder realizar procesos de transferencia de información con el microprocesador.

Memorias

Introducción Todos los ordenadores disponen de una serie de dispositivos para almacenar las instrucciones y los datos que emplea la CPU , entre ellos se incluye la memoria principal (RAM). Estos dispositivos de almacenamiento, junto con los algoritmos necesarios (que pueden estar implementados por hardware o por software) para controlar o almacenar la información adecuada, constituyen el sistema de memoria del ordenador.

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La memoria q integra un ordenador, se puede clasificar en los siguientes grupos:

Memoria interna a la CPU: comprende un pequeño conjunto de registros que se utilizan como memoria de trabajo para almacenamiento temporal de instrucciones y datos. Ejemplo: Registro AX, BX del CPU.

Memoria Principal(Primaria): Se trata de una memoria relativamente grande y rápida que se utiliza para almacenar el programa y los datos cuando el ordenador esta trabajando. Ejemplo: la memoria RAM

Memoria Secundaria( Auxiliar): Generalmente es mucho mas grande y mucho más lenta que la memoria principal. Se utiliza para almacenar grandes programas, grandes archivos de datos. Ejemplos: Discos, cintas, CD­ROM, etc

Físicamente las memorias son chips o conjunto de chips que vienen en módulos Las memorias pueden ser de dos clases:

♦ Tipo Volátiles. ♦ Tipo Permanentes

Memorias Volátiles: El contenido se borra cuando se apaga la máquina o pierden energía de alimentación por un tiempo determinado. Son memorias que se utilizan para ejecutar los programas ya que seria muy lento ir leyendo el contenido del programa desde disco (porque contiene dispositivos mecánicos). Entonces el proceso consiste en leer del disco la mayor parte posible del programa y ejecutarlo una vez instalado en memoria.

Memorias No Volátiles: Su contenido NO se borra cuando se apaga la máquina

Como ejemplos de memorias volátiles tenemos la memoria RAM (Random Access Memory) del sistema y la memoria Caché y como ejemplo de memoria de tipo permanentes tenemos la ROM BIOS (Read Only Memory , Basic Input Output System)

Memoria ROM En este tipo de Memoria es la que utiliza tecnología más sencilla (matriz de fusibles). El fabricante imprime mediante una máscara la estructura de los mismos (programa). Es por eso imposible cambiar alguna vez el programa que contiene grabado.

El " tiempo de acceso" de estas memorias es muy lento en comparación con las DRAM y se acerca a los 500 nanosegundos. En la actualidad se fabrica un tipo de memorias llamadas

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FLASH ROM del tipo EEPROM que son muy veloces y alcanzan Tiempos de Acceso de 10 nanosegundos.

Memoria PROM Es una ROM que tiene todos sus fusibles sanos. El programador debe transferir por única vez el programa a la memoria mediante un Grabador de PROM, que no hace otra cosa que cortar los fusibles correctos.

Memoria EPROM Esta ROM es Borrable (erasable) y Programable, es decir que puede ser inicialmente grabada y si alguna vez es necesario, borrada y regrabada. El proceso de borrado consiste en la exposición del chip de memoria a un flujo de luz ultravioleta que penetra en él gracias a una pequeña ventana de vidrio existente en su parte superior. No trabaja con tecnología de fusibles. El proceso de grabación se lleva a cabo gracias a un grabador de EPROM.

Este tipo de memoria utilizan algunas BIOS, el fabricante graba su programa en esta memoria por medio de una grabadora EPROM.

Memoria FLASHROM Esta memoria trabaja con un tipo de chip llamado EEPROM (Memoria de Solo Lectura Programable y Borrable Eléctricamente), este chip se puede borrar (sin usar luz ultravioleta) y reprogramar de manera directa. Utilizar este tipo de memoria permite al fabricante distribuir actualizaciones de la BIOS ROM en disco.

La memoria FlashROM es un tipo especial de memoria EEPROM , y posee la capacidad de poder ser escrita o reescrita por Software. Normalmente se utiliza en los BIOS (Basic Input Output System) modernos de las PCs

La memoria FLASH es denominada así por la velocidad con la que puede reprogramarse, utilizan tecnología de borrado eléctrico al igual que las EEPROM

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Memoria RAM Se trata de un conjunto de chips donde el microprocesador puede LEER, ESCRIBIR datos a voluntad. Es comparable a un cuaderno de notas o pizarrón con muchos renglones donde se puede elegir al azar cualquiera de ellos para escribir, leer o borrar datos de ocho bits (bytes). Estar Memorias son totalmente VOLATILES, es decir que necesitan tensión de alimentación (normalmente 5v o 3v) para mantener sus datos en existencia y es por eso que al apagar la máquina pierden todo su contenido.

Cuando hablamos de memoria RAM nos referimos a un tipo de memoria donde el acceso por el microprocesador a la información de una celda cualquiera de memoria, se efectúa de manera directa y en el mismo tiempo(demora lo mismo) para cualquier celda de memoria.

El acrónimo RAM (Ramdom Access Memory), Memoria de Acceso Aleatorio alude a la posibilidad de elegir cualquier posición (o renglón) al azar en oposición a las Memorias R.O.M que deben ser accedidas solamente desde una posición, para continuar con la siguiente, y así sucesivamente hasta culminar con el proceso de lectura.

Memoria DRAM Los bits de información se almacenan en las memorias DRAM, en celdas conformadas por un capacitor (componente electrónico capaz de mantener carga por determinado tiempo) y un transistor ambos de tamaño microscópico. Un capacitor que no tenga carga representa el 0 y un capacitor cargado representa el uno. Los capacitores pierden su carga naturalmente en un determinado tiempo a menos que sufran un proceso de recarga. A este proceso de recarga se le denomina refresco (refreshing) y debe ser efectuado por circuitos especiales cada 10 a 20 milisegundos.

Refresco (refreshing): se denomina así a cada ciclo de re­escritura de la carga contenida en cada capacitor de cada celda de memoria.

Debido a que la recarga de los capacitores de este tipo de memoria RAM se efectúa en forma permanente mientras la computadora esta encendida, se la denomina Memorias DRAM siglas correspondientes a Dynamic RAM. Con estas características cuando se apaga la computadora los capacitores dejan de recibir su corriente de refresco y quedan instantáneamente todas la celdas en cero. Por eso son memorias de tipo volátiles.

El acceso a la lectura o escritura de las celdas de memoria RAM debe hacerse fuera de los ciclos de refresco.

Los Chips de la memoria RAM , necesitan un tiempo mínimo para encontrar exactamente la información que se quiere leer. A esto le llamamos tiempo de acceso. También se necesita otro tiempo para traspasar esa información al lugar de destino, a este tiempo se lo denomina tiempo de carga. El tiempo total requerido es el denominado tiempo de un ciclo de memoria y se calcula de la siguiente manera:

Tiempo de un ciclo de memoria = tiempo de acceso + tiempo de carga.

Y podemos definirlo como : El tiempo de que transcurre entre una orden de la CPU que dice “ leer el valor en la posición X” , Hasta que dicha información se encuentre en el lugar de destino. Estos tiempos tienen valores muy pequeños y se miden en nanosegundos(ns) es decir 0,000000001 segundos.

En general las memorias se clasifican solo por el tiempo de acceso, por ejemplo para tipos de memorias lentos esta velocidad puede ser de 250 ns y para memorias clasificadas como más rápidas puede ser de 60 ns. y actualmente existen memorias con tiempo de acceso de 6 y 7 ns.

Junto con la capacidad de memoria , el tiempo de acceso es uno de los principales parámetros que caracterizan a una DRAM.

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Memoria SRAM Los chips de memoria estáticas contrariamente a lo que hace pensar el término, tienen un performance mucho mejor que los dinámicas. A diferencia de las unidades de las celdas DRAM que están constituidas por un capacitor y un transistor y requieren permanente refresco, las celdas de las SRAM están conformadas solo por transistores y por ese motivo no pierden la información. Al no tener que reescribirse periódicamente como las DRAM se les denomina RAMs Estáticas (SRAM).

Mientras que cada celdas de las memorias DRAM solo necesitan de un transistor y un capacitor, las celdas SRAM necesitan varios transistores (de cuatro a seis) además de otros componentes electrónicos ocupando para cada celda mucho más lugar. Además son mucho más caras.

Las memorias SRAM no deben ser refrescadas ya que no pierden la información por descarga de capacitores como las DRAM.

El tiempo de acceso de las SRAM es mucho menor a las DRAM y esta más o menos en el orden de los 15 ns.

Fundamentalmente las memorias del tipo SRAM de usan como memorias caché. (nota, las memorias cache actuales son memorias SRAM y poseen un tiempo de acceso menor a los 2ns)

Memoria caché Una memoria caché es una memoria de acceso muy rápido, suelen ser muy caras y ocupar mucho tamaño y tienen baja capacidad de almacenamiento en relación a su tamaño. Pero al ser muy rápidas se utilizan para guardar por ejemplo las ultimas instrucciones utilizadas por el procesador y mantenerlas disponibles de modo tal que cuando se requieran, el microprocesador acceda a buscar estas instrucciones primero en la memoria caché que es más rápida que la RAM convencional. Como existe una altísima probabilidad que la instrucción siguiente este relacionada con anterior, de esta manera de acelera el tiempo en que estos datos están disponibles.

La cantidad de memoria caché es limitada y muchísimo menor a la cantidad de memoria RAM. Usualmente los valores de la caché son de 64 a 512 KBytes. A medida que la memoria caché se llena, el controlador de memoria caché borra las instrucciones menos usadas.

La memoria caché se encuentra físicamente ubicada entre el microprocesador y la memoria RAM. Sirve para emular la memoria RAM, pero con un tiempo de acceso correspondiente a una SRAM.

DRAM SRAM

Tiempo de Acceso: 60­6 ns Tiempo de acceso: 15­2 ns Necesitan refresco No necesitan refresco Consumo mucho mayor Consumo mucho menor Costo mucho menor Costo mucho mayor Menor Tamaño Mayor tamaño. Es una memoria Volátil Es una memoria Volátil El acceso es Aleatorio El acceso es Aleatorio

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Hay básicamente Dos tipos de caché y son las llamadas:

Caché de nivel 1 (o primario) ­ L1 (Level 1) Caché de nivel 2 (o secundario) ­ L2 (Level 2)

Las memorias caché de nivel 1 (L1) se encuentran integradas en el microprocesador (En microprocesadores actuales suele poseer 2, una para datos y otra para instrucciones). Mientras que una memoria caché de nivel 2 (L2) se encuentra aparte, o sea externa al microprocesador .Las memorias caché L2 pueden ir insertadas en un zócalo o soldadas en la placa madre.

Memoria virtual La idea es conservar en memoria una "parte" de los programas en ejecución. Si un programa A quiere ejecutarse cuando no hay más espacio en memoria, un "pedazo" de otro programa es "llevado" a la memoria secundaria(normalmente Disco rígido) y reemplazado por un "pedazo" de A.

¿Por qué utilizar memoria virtual?

Porque la memoria física es costosa. y Memoria secundaria (discos) es poco costosa en comparación a la Capacidad Los Programas que utilizan mucha memoria y que "no siempre caben" en RAM. tienen la posibilidad de utilizar la memoria secundaria "como" memoria RAM.

Es decir cuando se utiliza memoria virtual, un programa utiliza memoria directamente sin enterarse si esta utilizando Memoria RAM o Memoria Secundaria.

Entrada y salida

Introducción Normalmente una computadora tiene que comunicarse con el mundo exterior de alguna forma, ya sea para entrada de información o salida de información, para ello se utilizan los llamados buses entrada/salida (bus principal) y se solicita atención al CPU por medio de las interrupciones de Hardware, entonces el CPU atiende al dispositivo que solicito atención y luego continua con lo que se encontraba realizando.

Interrupciones Una interrupción es un mecanismo de transferencia de control; Básicamente ocasiona que la CPU detenga la ejecución del programa actual, transfiera el control a una rutina de servicio, y al término de esta prosiga con la ejecución del programa interrumpido.

Existen dos tipos de interrupciones: las por hardware interrupciones y las interrupciones por software.

Interrupciones de Hardware

Las interrupciones por hardware son invocadas asincrónicamente (es decir, pueden ocurrir en cualquier momento y no se encuentran bajo el control del programa) por un dispositivo o evento

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externo, por ejemplo la pulsación de una tecla o la recepción de un byte en algunos de los puertos disponibles.

Las interrupciones añaden cierta complejidad al diseño del hardware: en principio, es necesario jerarquizarlas de alguna manera para decidir cuál se atiende en el caso de que se produzcan dos simultáneamente. También es importante el control de prioridad para el caso de que se produzca una interrupción mientras se está procesando otra: sólo se la atenderá si es de mayor prioridad.

Las interrupciones por Software en realidad no interrumpen algo, sino mas bien son una variante de las rutinas, las cuales pueden invocarse a voluntad y son controladas por el programa en forma sincrónica (o sea que se conoce todo lo relacionado con su ejecución, pues el programa controla el momento y la manera en que son invocadas) mediante la secuencia de instrucciones CALL (llamar) y RET (retornar).

Bus de entrada/salida Se llama así al BUS que conecta al sistema con los periféricos. Donde se conectan las placas de video, sonido, aceleradoras 3D, módem, placa de red, etc. a través de las ranuras (SLOTs) destinadas para ello.

El bus entrada/salida permite agregar dispositivos a la computadora para ampliar su capacidad

Los objetivos de un Bus de Sistema son cuatro:

• Conectar las placas interfaz al sistema(Microprocesador, Memoria RAM, etc), para permitir el intercambio de datos.

• Llevar tensión de Alimentación a las placas interfaz (+5v, ­5v +12 v y­12 v) • Permitir la fácil instalación e desinstalación de las diversas placas. • Ofrecer un Estándar de conexión al sistema, para poder conectar y fabricar cualquier

tipo de placa.

Tipo de BUSES E/S

Es posible identificar los diferentes tipos de buses E/S por su arquitectura. Los principales tipos son:

♦ ISA 8 bits, ISA 16 bits ♦ Bus local PCI, bus PCI­Express ♦ EISA ♦ PCMCIA

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♦ MCA (arquitectura micro canal) ♦ FireWire (IEEE 1394) ♦ Bus local Vesa (VL­Bus) ♦ AGP (Puertos de Gráficos Acelerado)

La diferencia entre estos buses consiste principalmente en la forma física donde se conectas las placas, la cantidad de datos que pueden transferir a la vez y la velocidad a la que pueden hacerlo.

Chipset

Introducción Antiguamente en las primeras Pcs se utilizaba un chip dedicado para cada tarea específica por ejemplo: se utilizaba un 8259 como controlador de interrupciones de hardware, un chip 8237 controlador DMA (Acceso directo a Memoria), generador de reloj chip 8248, a todos esos chips se los denominaba chipset(conjunto de chips). Actualmente casi todos esos chips están centralizados en 2 grandes grupos: Chipset puente norte y chipset puente sur.

El diagrama mostrado en la figura puede variar, de acuerdo al modelo, tipo, marca de una computadora, pero en general todos siguen una estructura similar.

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Chipset puente norte El chipset puente norte cumple casi todas las funciones que están relacionadas con alta velocidad: Transferencia a Memoria del sistema, Manejo Memoria Caché, Control del BUS AGP, control del bus del procesador.

Chipset puente sur El chipset puente Sur maneja funciones relacionadas con dispositivos de baja velocidad (Por ejemplo comparada con las velocidades entre micro y memoria)

El chipset puente sur se encarga normalmente de : Manejo del BUS PCI, Controlador de discos Duros, Control de placas integradas, a través del llamado superchip entrada/salida maneja Puertos y disquetera, manejo de teclado, e interconexión con BIOS.