INTRODUCCIÓN. Definiciones ORDENADOR (RAE 1992): En esta asignatura computador y ordenador tiene el mismo significado

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1 INTRODUCCIÓN UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 1 Definiciones ORDENADOR (RAE 1992): Máquina electrónica dotada de una memoria de gran capacidad y de métodos de tratamiento de la información, capaz de resolver problemas aritméticos y lógicos gracias a la utilización automática de programas registrados en ella. En esta asignatura computador y ordenador tiene el mismo significado UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 2

2 Ordenador como fábrica Pascal, Babbage, Von Neumann, Wilkes Siempre nos olvidamos de Henry Ford Proceso A MUY ALTA VELOCIDAD Materia prima Producto Modelo de ejecución Datos, Programa Datos, Programas UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 3 Arquitectura de ordenadores (o de computadores) Arquitectura (RAE 1992) Arte de proyectar y construir edificios Dos aspectos: Ver el edificio desde cómo se ha construido: arquitectura de estilo gótico Ver el edificio desde el uso: arquitectura funcional, polivalente Arquitectura de ordenadores El ordenador visto desde el programador Qué instrucciones y datos es capaz de procesar? A qué velocidad? Organización de computadores Cómo está organizado por dentro para procesar esos datos según esas instrucciones? NIVELES DE ESTUDIO DEL ORDENADOR Esta asignatura: Arquitectura y Organización UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 4

3 Lo que ve un programador Ordenador CPU Datos Direcciones Memoria Variables Instrucciones Sistema Operativo Compilador Editor VER RESULTADOS Escribir programa en el editor Fuente Compilar Objeto: Instrucciones Variables Sólo entiende de ristras de 1 s y 0 s: Datos Instrucciones INTRODUCIR DATOS Ejecutar UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 5 Un programador más fino Más: rendimiento, prestaciones, capacidad, etc. No sólo CPU: sistema completo UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 6

4 Modelo de programador con más detalle MAR, MBR e IR son transparentes al programador El programador sólo ve recursos e instrucciones que se ejecutan de forma secuencial (PROGRAMA) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 7 Lo que ve un arquitecto de ordenadores (Clásico) Modelo de Von Neumann La unidad de control y la unidad aritmético lógica (ALU) forman la CPU Se necesita una unidad de entrada salida de datos e instrucciones Input/output Se necesita una unidad para almacenar datos y resultados intermedios Memoria principal Unidad de Entrada Unidad de Memoria Unidad Aritmética y lógica (ALU) Unidad de Control CPU Unidad de salida UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 8

5 Ciclo de instrucción Dos pasos: Captura de la instrucción (Instruction Fetch) Ejecución UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 9 Fase de Fetch El Contador de Programa (PC) contiene la dirección de la próxima instrucción a ejecutar El procesador captura la instrucción de memoria El PC se incrementa Salvo en las instrucciones de salto La instrucción se carga en el Registro de Instrucciones (IR) Se interpreta la instrucción y se generan las señales de control (decodificación instrucción) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 10

6 Fase de ejecución Diferentes operaciones Transferencia de procesador a memoria Transferencia de procesador a I/O Procesado de datos La ALU efectúa una operación sobre los datos Instrucciones de control Alteran la secuencia de programa p.e. Jump Combinación de las anteriores UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 11 Programa ejemplo CPU con un solo Acumulador (A), 16 bits Memoria de 16 bits por posición Suma (940)+(941) en (941) Lenguaje simbólico Binario move A,(940) 1940(H) add A,(941) 5941(H) move(941),a 2941(H) Formato de la instrucción Cod. Op. Operando Arquitectura diferente add (940),(941) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 12

7 Organización a nivel de bloques y buses Modelo Von Neumann ampliado Bus Conjunto de líneas común a varios bloques que permite la comunicación entre ellos CPU (ALU, Registros y Control) Memoria Entrada/Salida Desde la CPU todo se ve como direcciones. El mapa de memoria es un vector donde el índice es la dirección. Bus del sistema Bus de datos Bus de direcciones Bus de control UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 13 Interrupciones Mecanismo por el cual otros módulos (e.g. I/O) pueden alterar la secuencia normal de programa Ejemplos: En el propio programa e.g. División por cero Timers Con el rebose de un temporizador Base de los S.O. multitarea I/O Del controlador E/S (p.e. Datos disponibles) Supervisión de Hardware p.e. Error de paridad (dato en memoria) Bus del sistema CPU (ALU, Registros y Control) Memoria Entrada/ Salida LINEA DE INTERRUPCION Bus de datos Bus de direcciones Bus de control UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 14

8 Organización del ordenador más completa UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 15 Ejemplo de organización UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 16

9 Y físicamente? UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 17 Más elementos físicos UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 18

10 Niveles de estudio en un ordenador Centrado en la CPU Nivel de usuario: Programas de aplicación Lenguajes de alto nivel Ensamblador / Código máquina Microcódigo Unidades funcionales: memoria, ALU, buses Puertas lógicas Transistores y conexiones Arquitectura Organización Falta incorporar la entrada/salida Y el Sistema Operativo UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 19 Conexión con el Sistema Operativo Programas de usuario y aplicaciones Llamadas al sistema Desde el usuario no se ve los detalles de la máquina (SO máquina virtual) pero sí el rendimiento de la máquina Control de dispositivos Núcleo del SO Disp.de Caracter Disp.de Bloque Disp.de RED Window Manager Manejadores de dispositivos Teclado Discos RED Sistema Gráfico Periféricos UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 20

11 Conexión con el Sistema Operativo (II) Flexibilidad frente a velocidad? Periféricos UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 21 Dificultades de la arquitectura Cambio en la relación prestación/precio de cada uno de los elementos que forman el ordenador Los discos duros igual de rápidos que la memoria principal Evolución en la tecnología Decisiones acertadas hoy pueden ser muy discutibles mañana. Cambio de las necesidades Informática del mundo ASCII Informática basada en interacción gráfica Informática empotrada: móviles, miniordenadores, etc. Bases de datos, comunicaciones, internet: metros cuadrados de servidores Invariantes Modelo de Von Neumann (si no se inventa otra cosa) Principio de cercanía: más cerca, más rápido. Jerarquía Mejorar aquello que más se utiliza (ley de Amdahl) Divide y vencerás UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 22

12 Objetivos Comprender el funcionamiento del ordenador a un nivel mayor que el puramente básico Arquitectura Tecnología Prestaciones/coste Entender la documentación Tener criterios para la elección de un ordenador o sistema informático adecuado a la aplicación que minimice el coste con el máximo rendimiento Adecuar el hardware a la aplicación Adecuar la aplicación al hardware Ya no valen los ordenadores, todos a la basura Siempre puedo comprar un ordenador más rápido UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 23 Plan de trabajo para el resto del curso Entender y revisar el funcionamiento de la CPU Unidad más cara Recordar conocimientos de digital: puertas, registros y retardos CPU simple para entender las arquitecturas actuales Relación entre programador y máquina: instrucciones y datos Mejorar la CPU El problema de medir el rendimiento y comparar Mejoras en la arquitectura y en la organización Conectar la CPU con la memoria Conectar la CPU con el mundo real y con el sistema operativo Arquitectura de sistemas informáticos (sin entrar en temas de redes) Máquinas con varias CPUs. Futuro UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 24