Arquitectura de Computadoras

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Introduccin

Arquitectura

Atributos de un sistema visibles para un programador Conjunto de instrucciones, bits de representacin de datos, mecanismos de E/S, direccionamiento de memoria Interconexin entre unidades funcionales Seales de control, interfaces computador / perifricos, tipo de memoria

Organizacin

Estructura y funcionamiento

Un computador es un sistema complejo De naturaleza jerrquica Posee subsistemas interrelacionados Necesitamos entender

Estructura Funcionamiento

Funcionamiento

Procesamiento de datos Almacenamiento de datos Transferencia de datos Control

Procesamiento de datos

El computador debe ser capaz de procesar datos Los datos pueden adoptar diferentes formas

Almacenamiento de datos

Es una funcin esencial Existen dos tipos de almacenaimentos:

A corto plazo Memoria temporal A largo plazo Memoria en ficheros

Tansferencia de datos

El computador debe ser capaz de transferir datos entre l y el mundo exterior Con dispositivos conectados directamente al computador

Entrada Salida Comunicacin de datos

Con dispositivos remotos

Control

Hecha por la unidad de control Gestiona y controla

Procesamiento Almacenamiento Transferencia

Estructura

Existen 4 componentes estructurales

Unidad central de proceso

Procesamiento de datos Almacena datos Transfiere datos Comunica la CPU, la memoria y la E/S

Memoria central

E/S

Sistemas de interconexin

Arquitectura de von Neumann

Los datos y las instrucciones se almacenan en una sola memoria de lectura-escritura El contenido de la memoria se direccionan indicando su posicin, sin importar el tipo de contenido La ejecucin se produce siguiendo una secuencia de instruccin tras instruccin

Componentes del computador

Conjunto pequeo de componentes lgicos Se pueden combinar de formas diferentes permitiendo almacenar datos binarios Para clculos concretos, se usa un hardware de componentes lgicos diseado especficamente para dicho clculo El hardware acepta datos y produce resultados Hardwired program

Componentes del computador

Hardware con funciones lgicas y aritmticas de uso general El hardware realiza funciones distintas segn las seales de control aplicadas El hardware acepta datos y seales de control, y produce resultados No se necesita reconfigurar el hardware para cada nuevo programa Simplemente se proporciona un nuevo conjunto de seales de control

Componentes del computador

Como se suministran las seales de control

Un programa es una secuencia de pasos En cada paso se realiza una operacin aritmtica o lgica con ciertos datos Para cada paso se necesita un nuevo conjunto de seales de control Se asocia un cdigo especfico a cada conjunto de seales de control Se aade al hardware un componente para generar seales de control a partir del cdigo

Componentes del computador

En lugar de reconfigurar el hardware para cada programa Se proporciona una nueva secuencia de cdigos Cada cdigo es una instruccin Una parte del hardware interpreta cada instruccin y genera las seales de control La secuencia de instrucciones es conocida como software

Componentes del computador

Existen dos componentes esenciales

Intrprete de instrucciones Mdulo general de funciones aritmticas y lgicas

Ambos constituyen la CPU Adems encontramos los componentes de E/S

Responsables de introducir instrucciones y proporcionar resultados

Componentes del computador

Otro componente importante es la memoria De ella se extraen los datos y las instrucciones La arquitectura de Von Neumann establece que la memoria puede ser usada para instrucciones y datos

Componentes del computador

La CPU se encarga del control Intercambia datos con la memoria Usa registros internos

Registro de direccin de memoria (MAR)

Direccin en memoria de la prxima escritura o lectura Contiene el dato a escribir en memoria o donde se escribe el dato cuando se lee de la memoria

Registro para datos de memoria (MBR)

Componentes del computador

Registros internos (contina)

Registro de direcciones de E/S (E/SAR)

Especifica un dispositivo de E/S Se usa para intercambiar datos entre un mdulo de E/S y la CPU Direccin de memoria de la siguiente instruccin Siguiente instruccin a ejecutar

Registro para datos de E/S (E/S BR)

Contador de programa (PC)

Registro de instruccin (IR)

La funcin de un computador es la ejecucin de un programa Un programa est constituido por un conjunto de instrucciones en memoria El procesador ejecuta instrucciones especificadas en el programa Consta de dos etapas

Funcionamiento del computador

Captar la instruccin Ejecutar la instruccin

Ciclos de captacin y ejecucin

Al inicio de cada ciclo de instruccin, la CPU capta una instruccin de memoria Se utiliza un registro llamado Contador de programa (PC) El registro PC permite saber donde est la instruccin que debe captarse A no se que se indique otra cosa, la CPU siempre incrementa el PC Se captar la siguiente instruccin de la secuencia

Ciclos de captacin y ejecucin

La instruccin captada se almacena en otro registro de la CPU llamado Registro de instruccin (IR) La instruccin se escribe usando un cdigo binario que indica la accin a realizar a la CPU La accin generalmente puede ser de cuatro tipos:

Procesador Memoria Procesador E/S Procesamiento de datos Control

Ciclos de captacin y ejecucin

Ejemplo de mquina hipottica

Procesador con nico registro de datos (AC) Los datos e instrucciones son de 16 bits La memoria est organizada en palabras Pueden haber 24 = 16 operaciones distintas Se puede direccionar 216 = 4096 palabras

Ciclos de captacin y ejecucin

Ciclos de captacin y ejecucin

El ejemplo necesita tres ciclos de instruccin Cada uno con un ciclo de captacin y uno de ejecucin Con instrucciones mas complejas se necesitaran menos ciclos Los procesadores actuales incluyen instrucciones que contienen mas de una direccin Entonces el ciclo de ejecucin de una instruccin incluye ms de una referencia a memoria

Ciclos de captacin y ejecucin

Los distintos estados en el ciclo de instruccin bsico son:

Clculo de la direccin de la instruccin (iac) Captacin de la instruccin (if) Decodificacin de la operacin (iod) Clculo de la direccin del operando (oac) Captacin del operando (of) Operacin con los datos (do) Almacenamiento del operando (os)

Ciclos de captacin y ejecucin

Interrupciones

Todos los computadores disponens de un mecanismo para interrumpir a la CPU Algunas clases de interrupciones mas comunes son:

Programa Temporizacin E/S Hardware

Sin interrupciones

Con interrupciones

Con interrupciones, la CPU puede ejecutar otras instrucciones mientras se lleva a cabo una operacin de E/S

Se aade el ciclo de interrupcin al ciclo de instruccin En una interrupcin, el procesador comprueba si se ha generado alguna interrupcin mediante la presencia de una sealo de interrupcin

Interrupciones y el ciclo de instruccin

Interrupciones y el ciclo de instruccin

Interrupciones mltiples

Hasta ahora vimos casos de una sola interrupcin Casos reales involucran interrupciones provenientes de varios dispositivos Existen dos alternativas:

Desactivar las interrupciones Usar prioridades para las interrupciones

Desactivar interrupciones

El procesador ignora las peticiones de interrupciones Las interrupciones generadas se mantienen pendientes Sern examinadas por el procesador cuando se activen las interrupciones nuevamente No se tiene en cuenta las solicitudes prioritarias Ej., placa de red

Interrupciones de mayor prioridad interrumpen la gestin de prioridades de menor prioridad Permite atender situaciones de mayor criticidad

Prioridades en las interrupciones

Prioridades en las interrupciones

Funcionamiento de las E/S

Un mdulo de E/S (por ejemplo, un controlador de disco) puede intercambiar datos directamente con el procesador El procesador puede leer o escribir datos en memoria como tambin en un mdulo de E/S A veces el procesador cede a un mdulo de E/S la autoridad de leer o escribir en memoria Esta transferencia E/S memoria se produce sin intervencin del procesador Esta operacin se conoce como DMA (Acceso Directo a Memoria

Estructuras de interconexin

Existen mdulos de tres tipos elementales que se comunican entre s

Procesador Memoria E/S

El conjunto de lneas que conectan los mdulos se denomina estructura de interconexin

Memoria

Constituido por N palabras del mismo tamao Cada palabra tiene una nica direccin numrica Una palabra puede leerse o escribirse El tipo de operacin se indica mediente las seales Read (leer) y Write (escribir) La posicin de memoria para la operacin se especifica por una direccin

Memoria

Mdulo de E/S

Funcionalmente muy similar a la memoria Existen dos tipos: leer y escribir Un mdulo puede controlar mas de un dispositivo externo Cada interfaz hacia un dispositivo se denomina puerto Cada puerto tiene una direccin Existen lneas externas de datos para entrada y salida de datos por un dispositivo externo Un mdulo de E/S puede interrumpir al CPU

Mdulo de E/S

Procesador

El procesador lee instrucciones y datos Escribe datos una vez procesados Usa seales para controlar el funcionamiento del sistema Puede recibir seales de interrupcin

Procesador

Tipos de transferencias

Memoria a procesador Procesador a memoria E/S a procesador