Antología Arquitectura de Computadoras

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1.1 Modelos de arquitecturas de cmputo.Arquitecturas Clsicas.Estas arquitecturas se desarrollaron en las primeras computadoras electromecnicas y de tubos de vaco. Aun son usadas en procesadores empotrados de gama baja y son la base de la mayora de las arquitecturas modernas Arquitectura Mauchly-Eckert (Von Newman)La principal desventaja de esta arquitectura, es que el bus de datos y direcciones nico se convierte en un cuello de botella por el cual debe pasar toda la informacin que se lee de o se escribe a la memoria, obligando a que todos los accesos a esta sean secuenciales. Esto limita el grado de paralelismo (acciones que se pueden realizar al mismo tiempo) y por lo tanto, el desempeo de la computadora. Este efecto se conoce como el cuello de botella de Von Newman

Arquitecturas SegmentadasLas arquitecturas segmentadas o con segmentacin del cauce buscan mejorar el desempeo realizando paralelamente varias etapas del ciclo de instruccin al mismo tiempo. El procesador se divide en varias unidades funcionales independientes y se dividen entre ellas el procesamiento de las instrucciones

Arquitecturas de multiprocesamientoCuando se desea incrementar el desempeo ms aya de lo que permite la tcnica de segmentacin del cauce (limite terico de una instruccin por ciclo de reloj), se requiere utilizar ms de un procesador para la ejecucin del programa de aplicacin.

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 numrico a una serie de datos matriciales, en especial en la simulacin de sistemas fsicos complejos, tales como simuladores para predecir el clima, explosiones atmicas, reacciones qumicas complejas, etc., donde los datos son representados como grandes nmeros de datos en forma matricial sobre los que se deben se aplicar el mismo algoritmo numrico.En los sistemas SMP (Simetric Multiprocesesors), varios procesadores comparten la misma memoria principal y perifricos de I/O, Normalmente conectados por un bus comn. Se conocen como simtricos, ya que ningn procesador toma el papel de maestro y los dems de esclavos, sino que todos tienen derechos similares en cuanto al acceso a la memoria y perifricos y ambos son administrados por el sistema operativo.

1.2.1CPULa unidad central de procesamiento, CPU (por sus siglas del ingls Central Processing Unit), o, simplemente, el procesador, es el componente en una computadora digital que interpreta las instrucciones y procesa los datos contenidos en los programas de computadora. Las CPU proporcionan la caracterstica fundamental de la computadora digital, la programabilidad, y son uno de los componentes necesarios encontrados en las computadoras de cualquier tiempo, junto con el almacenamiento primario y los dispositivos de entrada/salida. Se conoce como microprocesador el CPU que es manufacturado con circuitos integrados. Desde mediados de los aos 1970, los microprocesadores de un solo chip han reemplazado casi totalmente todos los tipos de CPU, y hoy en da, el trmino "CPU" es aplicado usualmente a todos los microprocesadores.La unidad de lgica/aritmtica (ALU), que realiza operaciones aritmticas y lgicas.La unidad de control (CU), que extrae instrucciones de la memoria, las descifra y ejecuta, llamando a la ALU cuando es necesario.

1.2.1.1 ArquitecturasEn ingeniera de computacin, la microarquitectura (a veces abreviada como arch o uarch), tambin llamada como organizacin de la computadora, es la manera que una arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA) es implementada por el procesador. Un ISA dado puede ser implementado con diferentes microarquitecturas. Las implementaciones pudieran variar debido a diferentes objetivos de un diseo dado o debido a los cambios en la tecnologa. La arquitectura de computadora es la combinacin del diseo determinado de la micro arquitectura y del conjunto de instrucciones.Una microarquitectura describe, entre otros:El nombre de los segmentos y su tamao, el nombre de las memorias cach y su asociabilidad respectiva, la existencia de un renombre de registros, de una unidad de ejecucin fuera de orden, de una unidad de predictor de saltos.La microarquitectura y la arquitectura de conjunto de instrucciones forman la arquitectura de una computadora.Todas las CPU, as como las implementaciones de microprocesadores en un simple chip o multichips en general, ejecutan los programas realizando los siguientes pasos:1.Se lee una instruccin2.Se decodifica la instruccin3.Se encuentra cualquier dato asociado que sea necesario para procesar la instruccin4.Se procesa la instruccin5.Se escriben los resultadosEsta serie de pasos, simple en apariencia, se complican debido a la jerarqua de memoria, en la que se incluye la memoria cach, la memoria principal y el almacenamiento no voltil como pueden ser los discos duros, (donde se almacenan las instrucciones y los datos del programa), que son ms lentos que el procesador en s mismo.

Algunas tcnicas microarquitectnicas comunes en los CPU modernos son:Seleccin del conjunto de instruccionesEntubado de instrucciones (Instruction pipelining)Memoria cachPrediccin de bifurcacinSuperescalarEjecucin fuera de ordenRenombrado de registrosMultiprocesamiento y multihilo

1.2.1.2 TiposMICROPROCESADOR DE PROPOSITO GENERAL: como su nombre lo indica, esta clase de microprocesador se utiliza en la realizacin de variadas tareas en referencia al tratamiento de la informacin. Es empleado principalmente en la confeccin de computadoras cuyo propsito tambin es de carcter general.

MICROPROCESADOR DE PROPOSITO DETERMINADO: esta clase de microprocesador fue creado con el fin de realizar una tarea concreta, especfica. Por este motivo, una vez programados ejecutan el mismo programa, el cual es almacenado en ROM.De acuerdo a las instrucciones presentes en su repertorio:CISC (Complex Instruction Set Computer): el trmino corresponde a aquellas computadoras conformadas por un conjunto extendido de instrucciones, permitiendo as la realizacin de operaciones complejas entre operandos ubicados en la memoria. Es decir que esta clase de computadoras est compuestas por instrucciones, pero de carcter desigual y amplio cada una. Los CISC se ubican dentro del primer grupo de realizacin de procesadores, por lo que su produccin tuvo lugar antes del avance de los RISC. Algunos de los ejemplos tpicos de esta clase de microprocesador son Intel 8086, Motorola 6800, Zilog Z80, etc.RISC (Reduced Instruction Set Computer): Tal como su nombre lo seala, los microprocesadores RISC se caracterizan por contener un pequeo conjunto de instrucciones. stas son de dimensiones fijas y confeccionadas en una cantidad limitada de formatos.Otra de sus caractersticas con respecto a las instrucciones, es que slo las de carga y las de almacenamiento pueden tener acceso a la memoria de datos.

1.2.1.3 CaractersticasCompatibilidad: No todo el software es compatible con todas las UCP.En algunos casos se pueden resolver los problemas de compatibilidad usando software especial.Velocidad: La velocidad de una computadora est determinada por la velocidad de su reloj interno, el dispositivo cronomtrico que produce pulsos elctricos para sincronizar las operaciones de la computadora. Las computadoras se describen en trminos de su velocidad de reloj, que se mide en megahertz. La velocidad tambin est determinada por la arquitectura del procesador, es decir el diseo que establece de qu manera estn colocados en el chip los componentes individuales de la CPU.

1.2.1.4Funcionamiento (ALU, Unidad de control, Registros y Buses internos)

ALULa informacin se procesa matemticamente y se compara lgicamente dentro de la Unidad Aritmtico-Lgica, conocida como ALU.

La unidad de procesos aritmticos (UPA) se encarga de realizar las operaciones lgico aritmticas bsicas. Para ello, cuenta con una unidad lgico aritmtica que le permite hacer sumas, restas, y operaciones lgicas AND, OR exclusiva, OR exclusiva negada, entre otras. La UPA tambin cuenta con un registro de corrimiento auxiliar para guardar valores intermedios que posteriormente operar.

Unidad de ControlSe encarga de que las operaciones se realicen en las secuencias que correspondan (por ejemplo no calcular antes de recibir los datos, no comunicar informacin al exterior mientras no se terminen los clculos, etc.).

Si el procesador es el ncleo del sistema de computacin, la unidad de control lo es del procesador. Tiene 3 funciones principales:-Leer e interpretar instrucciones del programa.-Dirigir la operacin de los componentes internos del procesador.-Controlar el flujo de programas y datos hacia y desde la RAM.La unidad de control dirige otros componentes del procesador para realizar las operaciones necesarias y ejecutar la instruccin.

Registrosreas de almacenamiento de trabajo de alta velocidad que contiene la unidad de control, que no pueden almacenar ms que unos cuantos bytes. Los registros manejan instrucciones y datos a una velocidad unas 10 veces mayor que la de la memoria cach y se usan para una variedad de funciones de procesamiento. Los registros facilitan el movimiento de datos e instrucciones entre la RAM, la unidad de control y la unidad aritmtico-lgica.-Registro de la instruccin: registro que contiene la instruccin que se est ejecutando.-Registros de uso general: almacenan los datos necesarios para el procesamiento inmediato.

El bus opera de la siguiente forma:-Un mdulo desea enviar datos a otro:1. Obtiene el uso del bus. 2.transfiere los datos a travs del bus.-Un mdulo desea obtener datos de otro mdulo:1.Obtiene el uso del bus2.Solicita la transferencia al otro mdulo mediante las lneas