MATERIA:ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

GRUPO:CG8

DOCENTE:ING. RAYMUNDO ARAN SANCHEZ

INTEGRANTES DEL EQUIPO:MAR CARRILLO VICTOR HUGO

ZUVIRIE PEREZ MARIA DEL CONSUELOEDUARDO GONZALES REYES

TRABAJO:UNIDAD 1

CARRERA:ING SISTEMAS COMPUTACIONALES

CERRO AZUL, VER SEPTIEMBRE 2014

1.1 MODELO DE ARQUITECTURAS DE CONTROL

Un computador es un sistema secuencial síncrono complejo que procesa información, esta se trata de información binaria.

La Arquitectura de Computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de sus componentes y permite determinar las posibilidades de un sistema informático.

1.1.1 CLASICASEstas arquitecturas se desarrollaron en las primeras computadoras electromecánicas y de tubos de vacío. Aun son usadas en procesadores empotrados de gama baja y son la base de la mayoría de las arquitecturas modernas 

Hay dos arquitecturas distintas relacionadas con el uso y distribución de la memoria:

Tradicionalmente los sistemas con microprocesadores se basan en esta arquitectura, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria principal única (casi siempre sólo RAM) donde se guardan las instrucciones del programa y los datos. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (control, direcciones y datos):

En un sistema con arquitectura Von Neumann el tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria.

El tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su respuesta, ya que no puede buscar en memoria una nueva instrucción mientras no finalicen las transferencias de datos de la instrucción anterior.

Las principales limitaciones que nos encontramos con la arquitectura Von Neumann son:

La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos, que hace que el microprocesador tenga que realizar varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas.

La limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para datos e instrucciones que no deja acceder simultáneamente a unos y otras, lo cual impide superponer ambos tiempos de acceso.

Este modelo, que utilizan los microcontroladores PIC, tiene la unidad central de proceso (CPU) conectada a dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos buses diferentes.

Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos).

Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes éstos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud. También la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general.

Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o RISC (Reduced Instrucción Set Computer), el set de instrucciones y el bus de memoria de programa pueden diseñarse de tal manera que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud. Además, al ser los buses independientes, la CPU puede acceder a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo leer la siguiente instrucción a ejecutar.

Ventajas de esta arquitectura:El tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.

1.1.2 SEGMENTADASLas arquitecturas segmentadas o con segmentación del cauce buscan mejorar el desempeño realizando paralelamente varias etapas del ciclo de instrucción al mismo tiempo. El procesador se divide en varias unidades funcionales independientes y se dividen entre ellas el procesamiento de las instrucciones.

1.1.3 DE MULTIPROCESAMIENTOCuando se desea incrementar el desempeño más allá de lo que permite la técnica de segmentación del cauce (limite teórico de una instrucción por ciclo de reloj), se requiere utilizar más de un procesador para la ejecución del programa de aplicación.

Las CPU de multiprocesamiento:

SISO – (Single Instruction, Single Operand ) computadoras independientesSIMO – (Single Instruction, Multiple Operand ) procesadores vectorialesMISO – (Multiple Instruction, Single Operand ) No implementadoMIMO – (Multiple Instruction, Multiple Operand ) sistemas SMP, Clusters

Procesadores vectoriales – Son computadoras pensadas para aplicar un mismo algoritmo numérico a una serie de datos matriciales, en especial en la simulación de sistemas físicos complejos, tales como simuladores para predecir el clima, explosiones atómicas, reacciones químicas complejas, etc., donde los datos son representados como grandes números de datos en forma matricial sobre los que se deben se aplicar el mismo algoritmo numérico.

En los sistemas SMP (Simetric Multiprocesesors), varios procesadores comparten la misma memoria principal y periféricos de I/O, Normalmente conectados por un bus común. Se conocen como simétricos, ya que ningún procesador toma el papel de maestro y los demás de esclavos, sino que todos tienen derechos similares en cuanto al acceso a la memoria y periféricos y ambos son administrados por el sistema operativo. 

1.2 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES.

1.2.1 CPU

La unidad central de procesamiento, UCP o CPU (por el acrónimo en inglés de central processing unit), o simplemente el procesador o microprocesador, es el componente del computador y otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones contenidas en los programas y procesa los datos. 

Es el corazón del computador, controla el flujo de datos, los procesa y gobierna el secuenciamiento de las acciones en todo el sistema. Para ello necesita un oscilador externo o reloj que sincroniza  las operaciones y marca la velocidad de proceso, este va  marcando la evolución del CPU y mide su velocidad de funcionamiento; en forma no afortunada la frecuencia del reloj del CPU viene limitada por la tecnología del CPU y del computador completo ya dependiendo de los periféricos, sus tarjetas gráficas, memorias, etc.

1.2.1.1 ARQUITECTURASEl cambio más importante de los últimos años en diseño de las computadoras de los últimos años se dio durante los años 1980, con la aparición de la corriente de diseño conocida como computadoras de conjunto reducido de instrucciones (RISC, por sus siglas en ingles).

Esta escuela pretende aplicar un enfoque totalmente distinto al tradicional hasta entonces,que paso a conocerse como computadoras de conjunto complejo de instrucciones (CISC) para diferenciarla de la nueva tendencia.

La tendencia tradicional, representada por las Arquitecturas CISC (Complex Instruction SetComputing) se caracterizan por tener un número amplio de instrucciones y modos de direccionamiento.Se implementan instrucciones especiales que realizan funciones complejas, de manera que un programador puede encontrar con seguridad, una instrucción especial que realiza en hardware la función que el necesita.

El número de registros del CPU es limitado, ya que las compuertas lógicas del circuito integrado se emplean para implementar las secuencias de control de estas instrucciones especiales.

La diferencia entre cisc y risc empieza a ser evidente por medio de la ecuación básica de la eficiencia en cómputo:

1.2.1.2 TIPOS

Los CPUs modernos pueden clasificarse de acuerdo a varias características, tales como:El tamaño del ALU o del Bus de conexión al exterior (8, 16, 32, 64 bits)Si tienen cauce pipelineSi son tipo CISC o RISC, Von Newmann o HarvardSi solo tienen instrucciones enteras o implementan también instrucciones de punto flotante

1.2.1.3 CARACTERISTICASLas características más importantes a considerar al escoger un CPU para usarlo (idealmente) en una aplicación, son:Modelo del programador (Conjunto de registros que el programador puede utilizar), forman el modelo mental del CPU que el programador utiliza al programar en ensamblador.Conjunto de instrucciones que puede ejecutar el CPUModos de direccionamiento que pueden usarse para obtener los operandos de las instrucciones.Ciclo de instrucción (el conjunto de pasos que realiza el CPU para procesar cada instrucción)Buses de interconexión, usados para que el CPU lea y escriba a la memoria y a los dispositivos de entrada y salida.

¿En qué casos debo seleccionar un(os) CPU(s)?

Acciones DirectasIntegrar un nuevo sistema de computoReemplazar un CPU dañadoActualizar un sistema de computo

Acciones IndirectasComprar equipo de cómputo nuevoConstruir un equipo de control – Microcontrolador

1.2.1.4 FUNCIONAMIENTO(ALU, unidad de control, registros y buses internos)

Todos los CPU tienen como función principal la ejecución de un programa acorde a la aplicación del mismo.Un programa es un conjunto de instrucciones almacenadas de acuerdo al orden en que deben ejecutarse.Por lo tanto, toda computadora debe ser capaz de procesar las instrucciones de su programa en un ciclo de instrucción, consistente en un número de etapas que varía con cada CPU.

1.-Búsqueda del código de Instrucción.

Esta consiste en leer de la memoria cual será la siguiente instrucción a ejecutar, la cual esta almacenada en forma de un código numérico que indica cuál de todas las operaciones que puede realizar el CPU será la siguiente y con que operandos se ejecutará.

2- Decodificación.

Consiste en tomar el código numérico e identificar a cuál de las operaciones que puede realizar el CPU corresponde dicho código.

3- Ejecución.

En esta etapa se lleva a cabo la operación sobre los datos que se vayan a procesar.

En general, la unidad de control (UC) genera las señales de control necesarias para llevar los datos a las entradas de la Unidad Aritmética Lógica, la cual efectuará las operaciones aritméticas y lógicas.

Posteriormente, la unidad de control generara las señales de control necesarias para transferir la salida de la Unidad Aritmética Lógica al registro donde serán almacenados los resultados para su uso posterior.

Unidad Aritmética Lógica o ALU (por su acrónimo en inglés Arithmetic Logic Unit): Es la parte de la CPU encargada de realizar las transformaciones  de los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de una serie de módulos que realizan operaciones aritméticas y lógicas. La UC se encarga de seleccionar la operación a realizar habilitando los caminos de datos entre los diversos operadores de la ALU y entre los registros internos.Registros Internos: el almacenamiento de los resultados a la ejecución de las instrucciones en la memoria principal podría ser lento y excesivamente tendría muchos datos en el sistema de interconexión con la memoria, con lo que el

rendimiento bajaría. De la misma manera también se almacenan en registros internos la configuración interna del CPU o la información durante la última operación de la ALU.

La memoria (también llamada almacenamiento) se refiere a parte de los componentes que

forman parte de una computadora. Son dispositivos que retienen datos informáticos durante

algún intervalo de tiempo. Las memorias de computadora proporcionan una de las

principales funciones de la computación moderna, la retención o almacenamiento de

información. Es uno de los componentes fundamentales de todas las computadoras

modernas que, acoplados a una unidad central de procesamiento (CPU por su sigla en

inglés, central processing unit), implementa lo fundamental del modelo de computadora de

Arquitectura de von Neumann, usado desde los años 1940.

Dispositivo basado en circuitos que posibilitan el almacenamiento limitado de información

y su posterior recuperación.

Las memorias suelen ser de rápido acceso, y pueden ser volátiles o no volátiles.

La clasificación principal de memorias son RAM y ROM. Estas memorias son utilizadas

para almacenamiento primario.

En la memoria se almacena el programa y los datos que va a ejecutar el CPU.

1.2.2.1 CONCEPTOS BASICOS DEL MANEJO DE LA MEMORIA

Palabra de memoria.Unidad mínima de acceso.

Ancho de la palabra de memoria.Tamaño de la palabra de memoria, coincide con el número de bits del bus de datos del chip de memoria.

Celda de memoria.Corresponde a un bit de la memoria.

Capacidad de una memoria.Cantidad de información que la memoria puede almacenar. Viene determinado por el tamaño del bus de direcciones (AB) y del de datos (DB) según la fórmula Capacidad = 2AB · DB bits. Es decir, la memoria está formada por 2AB posiciones de DB bits cada una de ellas.

Palabra de memoria.Unidad mínima de acceso.

Ancho de la palabra de memoria.Tamaño de la palabra de memoria, coincide con el número de bits del bus de datos del chip de memoria.

Celda de memoria.Corresponde a un bit de la memoria.

Capacidad de una memoria.Cantidad de información que la memoria puede almacenar. Viene determinado por el tamaño del bus de direcciones (AB) y del de datos (DB) según la fórmula Capacidad = 2AB · DB bits. Es decir, la memoria está formada por 2AB posiciones de DB bits cada una de ellas.

Tiempo de escritura.Tiempo transcurrido desde que la memoria recibe la orden de escritura hasta que son almacenados en la misma.

Tiempo de lectura.Tiempo transcurrido desde la orden de lectura hasta que la memoria vuelca los datos solicitados en su bus de datos.

Tiempo de acceso.Media de los dos tiempos de lectura y escritura definidos.

1.2.2.2 MEMORIA PRINCIPAL SEMICONDUCTORA

Es una matriz de celdas que contienen 1 o 0, donde cada celda se especifica por una dirección compuesta por su fila (Row) y su columna (COLUMN). Para su implementación se usan de transistores en semiconductores.

OPERACIONES BASICAS: Lectura y escritura de datos, conexión al exterior mediante bus de datos, direccionales y control. Existen dos categorías:

ROMROM (Ready-only-memory): Los datos se almacenan de forma permanente o semipermanente memorias no volátiles.

La Memoria ROM nace por esta necesidad, con la característica principal de ser una

memoria de sólo lectura, y por lo tanto, permanente que sólo permite la lectura del usuario

y no puede ser reescrita.

Por esta característica, la Memoria ROM se utiliza para la gestión del proceso de arranque,

el chequeo inicial del sistema, carga del sistema operativo y diversas rutinas de control de

dispositivos de entrada/salida que suelen ser las tareas encargadas a los programas grabados

en la Memoria ROM. Estos programas (utilidades) forman la llamada BIOS del Sistema.

RAMRAM (Random-access memory): se tarda lo mismo en acceder a cualquier dirección de memoria (acceso en cualquier orden), capacidad de lectura y escritura, memorias volátiles. Existen 2 tipos de memorias RAM: SRAM (estáticas) y DRAM (dinámicas).

1.2.2.3 MEMORIA CACHE

Funcionalmente, la memoria cache es igual a la memoria principal, sin embargo, físicamente en la computadora es un componente distinto. Se puede definir como una memoria rápida y pequeña, situada entre la memoria principal y el procesador, especialmente diseñada para contener información que se utiliza con frecuencia en el proceso con el fin de evitar accesos a otras memorias(principal), reduciendo considerablemente el tiempo de acceso al ser más rápida que el resto de la memoria principal.

1.2.2 MANEJO DE LA ENTRADA /SALIDA

Una computadora tiene dispositivos de entrada y salida como son los que contiene el gabinete, disco duro, placa madre, unidades de CD o DVD etc., también abreviado E/S o I/O (del original en inglés input/output), es la colección de interfaces que usan las distintas unidades funcionales (subsistemas) de un sistema de procesamiento de información para comunicarse unas con otras, o las señales (información) enviadas a través de esas interfaces. Las entradas son las señales recibidas por la unidad, mientras que las salidas son las señales enviadas por ésta.

Los dispositivos de E/S los usa una persona u otro sistema para comunicarse con una computadora. De hecho, a los teclados y ratones se los considera dispositivos de entrada de una computadora, mientras que los monitores e impresoras son vistos como dispositivos de salida de una computadora. 

1.2.3.1 MODULOS DE ENTRADA/SALIDA

La E/S se implementa mediante dispositivos periféricos.

DISPOSITIVO PERIFÉRICO:Elemento que permiten la transferencia de información entre la CPU y el mundo exterior.Interfaz que traduce la información asíncrona y analógica del mundo exterior a la información síncrona y codificada del computador.Dos partes: módulo de E/S y dispositivo (externo).

Coordina el correcto flujo de información entre uno o varios dispositivos externos (impresora, monitor,...) e internos (memoria, procesador).

FUNCIONES:Reconocer la dirección de la CPU que identifica al dispositivo externo.Transferencia de datos entre el CPU y el dispositivo externo.Recepción comandos desde el CPU.Mantener información del estado del periférico y mantener el protocolo de comunicaciones con el periférico.Un módulo de E/S puede controlar varios dispositivos externos.

El módulo de E/S también almacena datos temporalmente debido a las diferencias de velocidades entre los periféricos y el CPU o la memoria. Dispone de un mecanismo de detección de errores tales como el uso del bit de paridad.

1.2.3.2 ENTRADA/SALIDA PROGRAMADA

El CPU tiene el control absoluto de la operación de E/S: inicia y lleva a cabo la transferencia.

La CPU está dedicándose por completo a realizar la operación de E/S: realiza tanto la comprobación de estado como la transferencia y la inicialización: poco eficiente.Hardware mínimo

1.2.3.3 ENTRADA/SALIDA MEDIANTE INTERRUPCIONES

La E/S le indica al CPU cuando está preparada para transferir datos (genera una interrupción al CPU), activando una línea especial conectada al CPU (línea de interrupción).

Funcionamiento1. El procesador ejecuta instrucciones de un programa. Al finalizar cada instrucción

comprueba si se ha producido una interrupción.

2. En caso afirmativo se salva el estado actual del programa (contador del programa y registros) y se salta a ejecutar la rutina de servicio correspondiente.

3. La rutina de servicio efectúa las operaciones apropiadas en la E/S para realizar la transferencia de datos solicitada.

4. Al finalizar la rutina de servicio se recupera el estado de la CPU y se continúa ejecutando el programa que se estaba ejecutando antes de la interrupción.

Las interrupciones pueden ser:

ENMASCARABLES (se pueden dejar de atender por software)NO ENMASCARABLES (siempre atendidas).

Dos formas de conocer la dirección/posición (vector) donde se encuentra la rutina de servicio de la interrupción:

Vector de interrupciones siempre FIJOEl periférico suministra el vector de interrupción

Generalmente existen VARIOS PERIFÉRICOS (y no uno sólo) conectados que pueden realizar interrupciones. Esto obliga a ESTABLECER PRIORIDADES y decidir cómo se conectan a la CPU.También hay que determinar para cada periférico su vector de interrupciones.

SOLUCIONES más extendidas:

A) Una sola línea de interrupciónB) Varias líneas de interrupciónC) Líneas de interrupción y aceptación

1.2.3.4 ACCESO DIRECTO A MEMORIA

El DMA (Direct Memory Access) es un procesador/controlador especializado en transferencias “muy grandes” desde periféricos a memoria y viceversa.

Es programable. La CPU no realiza ninguna tarea (salvo programar el DMA) ya que la inicialización y transferencia son gobernadas por el periférico.

Para programar el DMA hay que enviarle al menos los siguientes datos:

Dirección/puerto periférico E/S.Posición/dirección en memoria principal.Tamaño (número de bytes a transferir).Tipo transferencia: lectura o escritura.

Al finalizar el DMA avisa mediante una interrupción. Esta interrupción al igual que el resto de interrupciones son normalmente atendidas al final de cada instrucción.

La rutina de servicio asociada comprobará el estado del DMA para ver si se han producidoerrores al ejecutar la transferencia que se le ha encomendado.

Un DMA puede transferir muchísimos datos de una sola vez. Por lo tanto, el número de interrupciones por byte transferido es mucho menor que con las interrupciones convencionales.

1.2.3.5 CANALES Y PROCESADORES DE E/S

Siguiente evolución en los sistemas de E/S: tener un procesador capaz de interpretar secuencias de operaciones y de esa forma tener bajo su control un mayor número de operaciones y módulos de E/S, cada vez más complejas

El canal de E/S es un “pequeño” procesador especializado en operaciones de E/S. Si además tiene memoria propia, entonces se lo llama procesador de E/S.

Para realizar una transferencia de E/S, la CPU primero ha de indicar qué canal de E/S ejecuta un determinado programa.

La CPU también debe definir el área de almacenamiento temporal, establecer una prioridad y establecer las correspondientes acciones en caso de error. El programa a ejecutar está cargado en memoria principal y puede contener instrucciones propias sólo procesables por el canal de E/S.

Después de terminar la operación de E/S, el canal de E/S deja el resultado en un área de memoria y a continuación genera una interrupción para indicar que ha acabado.

1.2.4 BUSESEl termino BUS se refiere a las rutas entre los componentes de una computadora, es un enlace de comunicación compartido que usa múltiples cables para conectar subsistemas.

1.2.4.1 TIPOS DE BUSES

SERIE y PARALELO: los primeros transmiten bit a bit y los segundos varios bits a la vez.MULTIPLEXADOS y NO MULTIPLEXADOS DEDICADOS: los multiplexados realizan diferentes funciones en función de las necesidades del momento.

Ejemplo: bus compartido para direcciones y datos ahorro en Hardware y por lo tanto en costos.

CENTRALIZADOS y DISTRIBUIDOS: necesidad de determinar qué elemento transmite y cuál recibe. Generalmente existe admistración centralizada por la CPU ó procesador.

SÍNCRONOS y ASÍNCRONOS (temporización): cómo ocurren los diferentes eventos (comienzo, fin,...) implicados en la transmisión de información. Utilización de una señal de reloj (comunicación síncrona) ó unas líneas de protocolo (comunicación asíncrona).

1.2.4.2 ESTRUCTURA DE LOS BUSES

Según si criterio de funcionabilidad los buses se dividen en:

BUSES DE DATOS: Es una ruta que conecta la CPU, la memoria y otros dispositivos del hardware en la tarjeta madre, es el que se utiliza para transmitir datos entre los diferentes dispositivos del computador.

BUSES DE DIRECCIONES: Es un juego de cables que conecta la CPU a la memoria RAM y lleva direcciones de memoria, sirve para indicar la posición del dato que se requiere acceder.

BUS DE CONTROL: Sirven para seleccionar al emisor y al receptor en una transición de bus

BUS DE ALIMENTACION: Sirve para proporcionar a los dispositivos voltajes distintos.

1.2.4.3 JERARQUIA DE BUSESCompatibilidad entre buses:

Sólo si son eléctricamente idénticos. Las características de los diferentes tipos de buses deben estar normalizadas.

Ejemplo: bus PCI, AGP, USB, FireWire...

Antiguamente sólo existía un bus principal que lo conectaba todo: bus del sistema, actualmente existe un conjunto de buses conectados entre sí y formando una jerarquía.

Facilita la mejora del rendimiento de todo el computador al agrupar dentro de los diferentes tipos de buses aquellos componentes del ordenador que tienen aproximadamente la misma velocidad de transmisión de la información. Mientras más lejos del CPU, buses más lentos y normalmente de menos líneas de datos.

Varios tipos de buses en función de su posición dentro de la jerarquía:

Bus de CPU o “bus local” del procesador: elementos más rápidos tales como la memoriaCaché.

Bus local o bus del sistema (Front Side Bus): conecta elementos tales como la memoria principal o dispositivos rápidos (por ejemplo AGP).

Bus de expansión y/o E/S: PCI, USB, ATA, SCSI,...

Esquema típico de jerarquía de buses en una computadora.Los buses de arriba son los más rápidos y el bus de expansión el más lento.

1.2.5 INTERRUPCIONES

Una interrupción es un mecanismo que permite ejecutar un bloque de instrucciones interrumpiendo la ejecución de un programa, y luego restablecer la ejecución del mismo sin afectarlo directamente. De este modo un programa puede ser interrumpido temporalmente para atender alguna necesidad urgente de la computadora y luego continuar como si nada hubiera pasado.

Las interrupciones son un método del que disponen los dispositivos e incluso los procesos para hacer notar a la CPU la aparición de alguna circunstancia que requiera de su intervención. De este modo, los dispositivos pueden provocar que la CPU deje por el momento la tarea que estaba realizando y atienda la interrupción, una vez atendida seguirá su labor anterior.

BIBLIOGRAFIAS

http://rvazquez.org/Misitio/Arquitectura de computadoras files/entradasalidafinal.pdf

http://rvazquez.org/Misitio/Arquitectura de computadoras files/buses.pdf Tocamedewuan.blogspot.mx Ticsarquitecturadecomputadoras.blogspot.mx/2012/03/1.html