2. Elementos de Arquitectura de Computadores
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- Hugo Rojo Vega
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1 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Computación I Semestre 2/2007 Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
2 Objetivos En este capítulo revisaremos algunos de los conceptos fundamentales con que funcionan los computadores, y cómo escribimos y ejecutamos programas sobre ellos. Arquitectura de un computador. Componentes. Sistemas Operativos y software. Representación de números. Base binaria y hexadecimal. Lenguajes de programación. El proceso de compilación. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
3 Arquitectura de un computador Para poder construir un programa que resuelve un problema, debemos plantear un algoritmo, e implementarlo con un programa. Para comprender cómo se ejecutan los programas que vamos a desarrollar, es útil y práctico conocer cómo funciona la máquina sobre la cual estamos trabajando. Todos los computadores comparten una arquitectura similar desde sus inicios. La tecnología, por supuesto, ha ido mejorando considerablemente. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
4 Arquitectura de Von Neumann Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
5 Arquitectura de Von Neumann La arquitectura de un computador tiene 3 componentes principales: Procesador (CPU, Central Processing Unit). Memoria principal. Dispositivos de Entrada/Salida, E/S (Input/Output, I/O). También hay que considerar los buses de datos que conectan todos estos componentes. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
6 Arquitectura de Von Neumann: Buses La comunicación interna de todos los componentes... Caminos eléctricos que corren a lo largo de todo el sistema. Permiten transmitir datos entre los distintos componentes. Los datos típicamente se transmiten en palabras (words), que son grupos de bytes. El tamaño de una palabra es un parámetro determinante en los sistemas. Sistemas embebidos pequeños: palabras de 1 a 2 bytes (8 a 16-bit) Intel Pentium: palabras de 4 bytes (32-bit) Intel Itanium, Sun SPARC: palabras de 8 bytes (64-bit) Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
7 Arquitectura de Von Neumann: Entrada/Salida La comunicación con el exterior... Dispositivos de entrada: teclado, mouse, joysticks, micrófonos, cámaras... Dispositivos de salida: pantalla, audífonos/parlantes, impresoras... Dispositivos de entrada y salida: memoria usb, discos, conexiones de red... Se comunican con el bus de E/S a través de controladores o adaptadores. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
8 Arquitectura de Von Neumann: Memoria Principal El almacenamiento principal... Lugar de almacenamiento temporal. Almacena los datos y el código de un programa en ejecución. Físicamente, está compuesta de un conjunto de celdas de Dynamic Random Access Memory (DRAM). Lógicamente, es un arreglo de posiciones, numerados secuencialmente desde 0. Cuánta memoria se puede utilizar? Depende del tamaño del bus de direcciones y del tamaño de cada celda. Un bus de 8-bit permite usar 256 posiciones de memoria. Un bus de 10-bit permite usar 1024 (1K) posiciones de memoeria. Un bus de 16-bit permite usar (64K) posiciones de memoria. Un bus de 20-bit permite usar (1M) posiciones de memoria. Un bus de 32-bit permite usar (4G) posiciones de memoria. Y si sólo tengo 256 MB de memoria, como puedo usar 4GB? Memoria virtual. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
9 Arquitectura de Von Neumann: CPU Finalmente, aquí se ejecuta toda la acción... Interpreta y ejecuta las instrucciones de un programa, que están almacenadas en la memoria principal. Compuesto por un conjunto pequeño de celdas, y una ALU: Registros. Celdas de memoria de acceso inmediato. ALU. Unidad aritmética/lógica. Ejecuta los cálculos requeridos. Cómo saber qué parte del programa debemos ejecutar? Un registro especial se usa para saber en qué parte del código del programa nos encontramos: Program Counter (PC). La CPU ejecuta el siguiente ciclo una y otra vez: Fetch. Lee una instrucción de memoria en los registros. Actualiza el Program Counter para poder leer la siguiente instrucción- Execute. Decodifica y ejecuta la instrucción. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
10 Arquitectura de Von Neumann: CPU Con qué frecuencia se repite esto? La CPU tiene una frecuencia de reloj. En cada tick se lee o se ejecuta una instrucción. Algunas instrucciones ocupan más de un ciclo. Algunos procesadores famosos: Intel 80386: 25 MHz Intel 80486: 66 MHz Intel Pentium: 100 MHz Intel Pentium II: 300 MHz Intel Pentium III: 750 MHz Intel Pentium 4: 3.2 GHz. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
11 Almacenamiento Distintos tipos de almacenamiento dan lugar a una jerarquía de memoria. Smaller, faster, and costlier (per byte) storage devices Larger, slower, and cheaper (per byte) storage devices L5: L4: L3: L2: L0: Registers L1: On-chip L1 cache (SRAM) Off-chip L2 cache (SRAM) Main memory (DRAM) Local secondary storage (local disks) Remote secondary storage (distributed file systems, Web servers) CPU registers hold words retrieved from cache memory. L1 cache holds cache lines retrieved from the L2 cache. L2 cache holds cache lines retrieved from memory. Main memory holds disk blocks retrieved from local disks. Local disks hold files retrieved from disks on remote network servers. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
12 El Sistema Operativo Todo lo anteriormente descrito es hardware. Quién controla todo esto? El hardware tiene algunas instrucciones básicas codificadas. BIOS: Basic Input/Output System. El que permite utilizar todos estos recursos es un software que se inicia al encender al computador (en verdad la BIOS permite iniciarlo): el Sistema Operativo. El sistema operativo administra el hardware, y permite al usuario ejecutar programas. Los programas del usuario funcionan sobre el sistema operativo. Los programas del usuario no pueden comunicarse directamente con el hardware. Para ello deben utilizar llamadas al sistema operativo (system calls). Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
13 El Sistema Operativo Application programs Operating system Processor Main memory I/O devices Software Hardware Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
14 El Sistema Operativo El sistema operativo provee abstracciones para permitir que los programas del usuario puedan ejecutar: Procesos: representan la ejecución de un programa. Memoria virtual: permite utilizar memoria física no contínua, de forma independiente a la cantidad de memoria física disponible. Archivos: permiten tener acceso a los dispositivos de entrada/salida (por ejemplo, discos). Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
15 Cómo se ejecuta un programa? Cuando el usuario solicita que el sistema operativo ejecute un programa se dan los siguientes pasos: El sistema operativo busca el archivo con el programa en el disco. El sistema operativo copia (carga) el programa desde el disco a la memoria principal. En algunos casos puede cargar solamente un segmento del programa. Y si el archivo es más grande que el espacio de memoria disponible? Archivos de swap. El sistema operativo crea un proceso para ejecutar el programa. El sistema operativo ubica el inicio del programa (ej: función main), y carga esa dirección el Program Counter. El programa de usuario está lista para utilizar la CPU, y ejecutar. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
16 Algunos sistemas operativos Cada uno tiene sus propias instrucciones y características. Un programa hecho para un sistema operativo no funcionará sobre otro ( o sí?). Algunos sistemas operativos: Windows, y todas sus variedades. 1.0, 2.0, 3.1, 3.11, 95, 98, NT, Me, XP, Vista, etc... Unix, y variantes. BSD, FreeBSD, Berkeley Irix (Silicon Graphics) Linux, la variante má extendida de Unix RedHat, Fedora, Debian, Slackware, Ubuntu, CentOS, Gentoo Solairs: Sun también tiene lo suyo. MacOS: la estrella de Apple. Cristian Ruz R. (UDP) 2. Elementos de Arquitectura de Computadores INF Sem. 2/ / 16
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