Arquitectura Del Computador Unidad I y II

Transcripción

1 Republica Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Poder Popular para la defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica De La Fuerza Armada UNEFA Núcleo- Zulia Arquitectura Del Computador Unidad I y II Integrantes: Maireny González C. I: Yajaira Hernández C. I: Sección: SIM- 7A

2 Índice 1.-Organización Básica Del Computador Definición de Computador Organización Básica Organización y Arquitectura de una computadora Unidades Funcionales del Computador La Unidad Central de Proceso Organización de la CPU Memoria Primaria o Principal Memoria Secundaria Entrada/Salida Organización de La Unidad de Control Organización de la Unidad Aritmético-Lógica Organización de la Memoria Central Organización del Bus del Sistema Las Instrucciones Métodos de Direccionamiento Ciclo de Ejecución de una Instrucción Ejecución de una Instrucción Fase De Búsqueda de una Instrucción 2.- Diseño De Un Computador Configuración del sistema: Diseño de los registros del computador. Diseño del control. Consola del computador Diseño del sistema del microcomputador: Organización del microcomputador y del microprocesador. Instrucciones y modos de direccionamiento. Pila, subrutinas e interrupción. Organización de la memoria. Interconexión de E/S. Acceso directo de memoria. 3.- Diseño Lógico de Procesadores

3 Definición de Computador es una máquina capaz de efectuar una secuencia de operaciones mediante un programa, de tal manera, que se realice un procesamiento sobre un conjunto de datos de entrada, obteniéndose un conjunto de datos de salida. Una computadora digital consiste en un sistema de procesadores interconectados, memorias y dispositivos de entrada/salida Organización Básica Elemento Físico (Hardware): Hard (duro) y Ware (equipo). Constituye todo el equipo duro del computador, la parte tangible o perceptible. Elemento Lógico (Software): Soft (suave) y Ware (equipo). Constituye la parte imperceptible o intangible. Está formado por los programas del computador, siendo el principal el del sistema Operativo. Elemento Humano (Personal informático): Sistema de Cómputo

4 Organización y Arquitectura de una computadora La organización de una computadora se define mediante sus registros internos, la estructura de temporización y control y la secuencia de micro-operaciones que ejecuta sobre los datos almacenados en sus registros. La arquitectura de una computadora es el conjunto de registros e instrucciones que debe conocer un programador para utilizarla Unidades Funcionales del Computador El computador, habiendo sido diseñado para el procesamiento de datos, su organización es similar a la de cualquier otro proceso. Indiferente de lo que se desee procesar, siempre se tendrán tres elementos importantes, la materia prima, la transformación que es el proceso en sí, y el producto final, es decir la materia prima transformada en un nuevo producto. Así, el computador está conformado por dispositivos de entrada, unidad central de procesamiento, dispositivos de salida y adicionalmente memoria externa o dispositivos de almacenamiento. un sistema básico de proceso de datos se puede estructurar en tres partes claramente diferenciadas en cuanto a sus funciones: Unidad central de proceso (CPU) Memoria Central (MC) Unidades de entrada/salida (periféricos)

5 La Unidad Central de Proceso La CP (Central Processing unit), es también denominada procesador central, ya que su principal misión consiste en coordinar y realizar todas las operaciones del sistema informático; entre ellas, ejecutar programas almacenados en la memoria principal buscando sus instrucciones y examinándolas para después ejecutar una tras otra. Se compone de circuitos eléctricos integrados en una pastilla o chip denominada Microprocesador. Todos los componentes de la unidad central de procesos están conectados por un bus (colección de alambres paralelos para transmitir direcciones, datos y señales de control. Pueden ser internos o externos como los que conectan a la memoria y a los dispositivos de E/S). En la CPU, se encuentra compuesta de varias partes; el Procesador, la unidad de control y la unidad aritmético-lógica La unidad de control: (Cu, control Unit): es la parte del procesador encargada de gobernar el resto de las unidades, además de recoger, interpretar y ejecutar las instrucciones controlando su secuencia. Se encarga de buscar las instrucciones de la memoria principal y determinar su tipo. Unidad Aritmético-Lógica (ALU, Aritmetic lógica Unit): es la parte del procesador encargada de realizar todas las operaciones elementales de tipo aritmético y tipo lógico. Es decir, realiza operaciones como suma y AND boleado necesarias para las instrucciones. Memoria Central (main memory): Es el encargado de almacenar los programas y los datos de estos, necesarios para que el sistema informático realice un determinado trabajo. Una característica importante es que es volátil, de tamaño pequeño y de alta velocidad que sirve para almacenar resultados temporales y de cierta información de control.

6 El registro más importante es el contador de programa (PC, programa Counter), que apunta a la siguiente instrucción que debe buscarse para ejecutarse. El nombre contador de programa es un tanto engañoso dirección porque no tiene nada que ver con contar, pero es un término de uso universal. Otro registro importante, es el registro de instrucciones (IR, Instruction Register), que contiene la instrucción que se está ejecutando. Casi todas las computadoras tienen varios registros más, algunos de propósito general y otros para fines específicos.

7 Organización de la CPU En la figura, se muestra con más detalle la organización interna de una parte de una CPU Von Neumann típica. Esta parte se llama camino de datos y consiste en los registros (generalmente del 1 al 32), la ALU (Unidad Aritmético-Lógica, Arithmetic Logic Unit) y varios buses que conectan los componentes. Los registros alimentan dos registros de entrada de la ALU, rotulados A y B en la figura. Estos registros contienen las entradas de la ALU mientras ésta se encuentra calculando. La ALU suma, resta y realiza otras operaciones simples con sus entradas y produce un resultado en el registro de salida. El contenido de este registro de salida se envía a un registro, que posteriormente se escribe (se guarda) en la memoria, si se desea. No todos los diseños tienen los registros A, B y de salida. Se ilustra la suma en la figura.

8 Memoria Primaria o Principal La memoria es la parte de la computadora en donde se almacenan los datos, suele denominarse almacén, y si ella no existiera, los procesadores no podrían leer y escribir información y no existirían las computadoras digitales. Bits: La unidad básica de memoria es el digito binario, llamado BIT. Un BIT puede contener un 0 ó un 1, es la unidad más simple posible. Suele decirse que las computadoras emplean aritmética binaria porque es eficiente. Lo que quiere decir, que es posible almacenar información digital distinguiendo entre diferentes valores de alguna cantidad física continua, como un voltaje de corriente. Direcciones de Memoria: Las memorias consistes en varias celdas (o localidades), cada una de las cuales puede almacenar un elemento de información. Cada celda tiene un número, su dirección, con el cual los programas pueden referirse a ella. Si una memoria tiene n celdas, tendrán las direcciones 0 a n-1. Todas las celdas de memoria contienen el mismo número de bits. Si una celda consta de K bits, podrá contener cualquiera de 2 combinaciones de bits distintas. Ordenamiento de Bytes: Los bytes de palabra pueden numerarse de izquierda a derecha o de derecha a izquierda. Ejemplos de memorias con palabras de 32 bits.

9 Códigos para la Corrección de errores: Las memorias de las computadoras pueden cometer errores ocasionales causa de picos de voltaje en la línea de alimentación u otras causas. Para protegerse contra tales errores, algunas memorias emplean códigos para detección y corrección de errores. Memoria Caché: La memoria caché es sencilla, ya que cuando la CPU necesita una palabra, primero la busca de caché. Sólo si la palabra no está ahí recurre a la memoria principal. Si una fracción sustancial de las palabras está en el caché, el tiempo de acceso promedio puede reducirse considerablemente. Así que el éxito o fracaso depende de que fracción de las palabras están en la cache Memoria Secundaria También se la conoce como memoria auxiliar, ésta es la encargada de brindar seguridad a la información almacenada, por cuanto guarda los datos de manera permanente e independiente de que el computador esté en funcionamiento, a diferencia de la memoria interna que solo mantiene la información mientras el equipo esté encendido. Los dispositivos de almacenamiento son discos y cintas principalmente, los discos pueden ser flexibles, duros u ópticos. Disco Magnético: Es una superficie plana circular, con un recubrimiento magnetizable. Tienen un diámetro entre 3 y 12 cm. Una cabeza de disco que contiene una bobina de inducción flota sobre la superficie muy cerca de ella, descansando en un colchón de aire.

10 Discos flexibles: Estos discos comúnmente están fabricados en material plástico y tienen la particularidad de que pueden ser introducidos y retirados de la unidad de disco o drive. Estos son muy útiles por cuando son pequeños y fáciles de portar sin embargo su capacidad de almacenamiento es pequeña y su velocidad de acceso es baja. Los discos flexibles más utilizados en el momento son los de 3.5 pulgadas que almacenan 1.44 megabytes. Discos duros: El sistema operativo leía disco y escribía en él colocando los parámetros registros en de la CPU e invocando después al BIOS (Sistema Básico de entrada y salida) situado en la memoria de sólo lectura integrada a la PC. El BIOS emitía las instrucciones de máquina necesarias para cargar los registros del controlador de discos que iniciaban las transferencias. A diferencia de los discos flexibles, estos están hechos generalmente de aluminio, giran a una velocidad 10 veces mayor y su capacidad de almacenamiento es muy grande (250 gigabytes y más). CD-ROM: Disco compacto de solo lectura. Estos discos forman parte de la nueva tecnología para el almacenamiento de información. Esta tecnología consiste en almacenar la información en forma de pozos y planos microscópicos que se forman en la superficie del disco. Un haz de un pequeño láser (diodo) en el reproductor de CD-ROM ilumina la superficie y refleja la información almacenada. Un disco compacto de datos, en la actualidad, almacena 650 y 700 megabytes de información.

11 CD Grabable y CD Reescribibles DVD: Videodisco digital o disco digital versátil. Tienen el mismo diseño general que el CD, con discos de poli carbonato de 120 Mm. moldeados por inyección que contienen fosos y lands y que ilumina con un diodo de láser para ser leídos por un foto detector. Utiliza focos más pequeños de 0.4 micras, una espiral más cerrada (0.74 micras) y un láser rojo de 0.65 micras. Dichas mejoras multiplican la capacidad siete veces, a 4,7 GB Entrada/Salida Dispositivos de entrada: Estos son, teclado, ratón, escáner, micrófono, entre muchos otros, todos ellos permiten entrar datos al sistema. Los datos son transformados en señales eléctricas y almacenados en la memoria central, donde permanecerán disponibles para ser procesados o almacenados en medios de almacenamiento permanente. Dispositivos de salida: Permiten presentar los resultados del procesamiento de datos, son el medio por el cual el computador presenta información a los usuarios. Los más comunes son la pantalla y la impresora. Buses: Se denomina bus del sistema al conjunto de circuitos encargados de la conexión y comunicación entre la UCP y el resto de unidades de la computadora. Para ello utiliza un conjunto de varias líneas eléctricas que permiten la transmisión de los datos en paralelo. Es decir, es una vía de comunicación que conecta dos o más dispositivos.

12 Funciones de un bus: 1. Soportar la información a transmitir. 2. Garantizar la correcta comunicación entre los elementos que comparten el bus Organización de La Unidad de Control Es el centro nervioso de la computadora ya que desde ella se controlan y gobiernan todas las operaciones. La misión fundamental de esta unidad es recoger las instrucciones que componen un programa, interpretarlas y controlar su ejecución. Se encarga: 1.Recibir las instrucciones de la memoria en el orden establecido por el programa. 2.Identificar de qué instrucción se trata en cada caso. 3.Generar la secuencia adecuada de órdenes para el resto de elementos funcionales que constituyen el computador. La unidad de Control posee los siguientes registros:

13 Contador de Programa (CP): Dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. Registro de Instrucciones (RI): Instrucción que se está ejecutando. Código de operación (CO) y en su caso los operandos o las direcciones de memoria de los mismos. Decodificador (D): Extrae el código de operación de la instrucción en curso (que están el RI), lo analiza y emite las señales necesarias para su ejecución a través del secuenciador. Secuenciador(S): Órdenes muy elementales (micro-órdenes) que, sincronizadas por los impulsos del reloj, hacen que se vaya ejecutando poco a poco la instrucción que está cargada en el Registro de Instrucciones. Reloj (R): El reloj marca los instantes en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción Organización de la Unidad Aritmético-Lógica Esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo Aritmético (sumas, restas, productos y divisiones) Lógico (comparaciones). En ella se encuentran: Circuito Operacional (COP). Registro de Estado (RES). Registros de Entrada (REN1 y REN2). Registro Acumulador (AC)

14 Circuito Operacional (COP): Contiene los circuitos necesarios para la realización de las operaciones. Tiene unas entradas de órdenes para seleccionar la clase de operación. Registro de Estado (RES):Es un conjunto de biestables en los que se deja constancia de algunas condiciones que se dieron en la última operación. Registros de Entrada (REN1 y REN2): En estos registros se almacenan los datos u operandos que intervienen en una instrucción. Registro Acumulador (AC): Sirve para almacenar los resultados de las operaciones efectuadas por el Circuito Operacional.

15 Organización de la Memoria Central La memoria central es la unidad donde están almacenados las instrucciones y los datos necesarios para poder realizar un determinado proceso. Está construida por multitud de celdas o posiciones de memoria, numeradas de forma consecutiva. A la numeración de las celdas se denomina dirección de memoria y mediante esta dirección se puede acceder de forma directa. Palabra: cantidad de información que puede introducirse o extraerse de la memoria central de una sola vez. (16, 32 o 64 Bits). Registro de Dirección de Memoria (RDM): Dirección de la celda que se va a utilizar en la operación, bien para grabar o leer datos. Registro de Intercambio de Memoria (RIM): Lectura: recibe el dato de la memoria señalado por el RDM. Escritura: la información que hay que grabar procedente de cualquier unidad funcional. Selector de memoria: Dispositivo que se activa cada vez que se produce una orden de lectura o escritura, conectando la celda de memoria, cuya dirección figura en el RDM, con el RIM y posibilitando la transferencia de los datos en un sentido o en otro.

16 Organización del Bus del Sistema Se denomina bus del sistema al conjunto de circuitos encargados de la conexión y comunicación entre la UCP y el resto de unidades de la computadora. Para ello utiliza un conjunto de varias líneas eléctricas que permiten la transmisión de los datos en paralelo. Se denomina bus del sistema al conjunto de circuitos encargados de la conexión y comunicación entre la UCP y el resto de unidades de la computadora. Para ello utiliza un conjunto de varias líneas eléctricas que permiten la transmisión de los datos en paralelo. El bus de sistema consta de varias líneas (50 a 100) independientes a las que se les asigna un significado o función particular. Las líneas de un bus se pueden clasificar en tres grupos funcionales: Líneas de datos. Líneas de Dirección. Líneas de control Líneas de datos: Camino para transmitir datos entre los módulos del sistema. El conjunto de esas líneas forman el bus de datos, que consta normalmente de 8, 16, 32, 64 o 128 líneas independientes (anchura del bus). La anchura del bus de datos es un factor esencial para determinar el rendimiento global del sistema. Por ejemplo, si el bus de datos tiene una anchura de 8 bits y cada instrucción tiene una longitud de 16 bits, la CPU debe acceder dos veces al módulo de memoria durante cada ciclo de instrucción.

17 Líneas de dirección: Se utilizan para seleccionar la fuente o el destino de la información que hay sobre el bus de datos. Por ejemplo, si la CPU desea leer una palabra de la memoria, coloca la dirección de dicha palabra en las líneas de dirección. La anchura del bus de direcciones determina la capacidad de direccionamiento de la unidad de memoria del sistema. Líneas de control: Gobiernan el uso y el acceso a las líneas de datos y de dirección. Las señales de control transmiten tanto órdenes como información de temporización entre los módulos del sistema. La información que se transfiere por este bus suele tener en común que normalmente se trata de señales de control para los diferentes elementos del computador, como pueden ser las señales de lectura o escritura de la memoria, las señales de control de entrada/salida, etc Las Instrucciones Una instrucción se puede ver como una cadena de bits que se agrupan en campos con tamaños diferentes, es decir, es un código binario que especifica una secuencia de micro-operaciones para la computadora. Los códigos de instrucción es un código de bits que instruye a la computadora sobre como ejecutar una operación específica, por lo general se divide en partes y c/u tiene interpretación propia, el código de instrucción junto con los datos se almacenan en la memoria y especifica además, los registros o palabras de memoria en donde se va a encontrar los operandos, la igual que el registro o la palabra de memoria donde se va a almacenar el resultado.

18 Asimismo, las instrucciones se forman por dos campos: Código de operación (CO):que indica qué operación se debe realizar por el procesador. Operandos: relativos a los datos, que son necesarios para realizar su misión. Las instrucciones que es capaz de realizar la UCP se denominan instrucciones máquina. El lenguaje que se utiliza para su codificación es el lenguaje máquina y, de acuerdo con su función, se clasifican en: Instrucciones de transferencia de datos. Transfieren datos. Instrucciones aritméticas, lógicas y de comparación. Operaciones. Instrucciones de transferencia de control. Secuencia de ejecución. Instrucciones de gobierno. Controlan estado CPU. En función de esto tenemos, los siguientes tipos de instrucciones: Instrucciones de tres operandos: Constan en primer lugar de código de operacional que siguen tres operandos, de los cuales, los dos primeros son las direcciones de los argumentos que hay que operar y el tercero es la dirección donde se depositará el resultado. Instrucciones de dos operandos: Contienen el código de operación y dos operandos, de los que uno de ellos actúa, además, como receptor del resultado de la operación. En las máquinas que utilizan instrucciones con dos direcciones el resultado puede depositarse en el lugar que inicialmente ocupaba uno de los operandos.

19 Instrucciones de un solo operando: Se utilizan generalmente en máquinas cuya arquitectura funciona con filosofía de acumulador. El acumulador de la UAL contiene previamente el primer argumento de la operación, el segundo es el contenido en la propia instrucción, y después de ser operados ambos por el circuito operacional, el resultado queda depositado de nuevo en el acumulador. Instrucciones sin operandos: Una pila está formada por datos almacenados en orden consecutivo en la memoria, existiendo un registro especial, denominado puntero de pila, que nos indica la dirección del último dato introducido en ella Métodos de Direccionamiento Un modo de direccionamiento de una instrucción es el modo que se utiliza en la misma para indicar la posición de memoria en que está el dato o datos intervinientes en la instrucción. Los programas utilizan normalmente varios modos de direccionamiento. Los modos de direccionamiento pueden clasificarse de la siguiente forma: Inmediato: Se dice que el direccionamiento es inmediato cuando la instrucción contiene el dato que hay que utilizar, no siendo necesario ningún acceso a la memoria. Directo: La instrucción contiene la dirección de la memoria central donde se encuentra situado el dato. Esto hace necesario un acceso a memoria para trasladar el dato hasta la unidad aritmético-lógica o hasta la unidad designada por la instrucción.

20 Indirecto: En este caso la dirección contenida en la instrucción no es la del dato implicado sino la de una posición de memoria que contiene la dirección de ese dato. Esa posición se denomina dirección intermedia e implica la necesidad de un ciclo de memoria más para acceder al dato. Relativo: La dirección exacta del dato no se encuentra en ningún lugar, sino que ha de ser calculada. La dirección donde se encuentra el dato se consigue sumando la dirección contenida en la propia instrucción con una magnitud fija contenida en un registro especial Ciclo de Ejecución de una Instrucción De forma genérica, el ciclo de ejecución de una instrucción se puede dividir en cuatro fases o pasos principales, agrupados en: Fase de búsqueda: Se transfiere la instrucción que corresponde ejecutar desde la memoria principal a la unidad de control. Fase de ejecución: Realización de todas las acciones que conlleva a la propia instrucción Fase De Búsqueda de una Instrucción En esta fase se realiza la búsqueda en memoria de la instrucción cuya dirección guarda el registro contador de programa y se almacena en el registro de instrucción. El contenido del contador de programa se incrementa de manera que almacena la dirección de la siguiente instrucción en secuencia.

21 Ejemplo: SUMAR (sumar los contenidos de las posiciones de memoria 033 y 992, almacenando el resultado en la posición 993). Código de operación (CO): SUMAR Dirección del primer sumando (OP1): 033 Dirección del segundo sumando (OP2): 992 Dirección del resultado (OP3): Ejecución de una Instrucción En ésta fase se realiza la operación indicada por la instrucción y si ésta lo precisa se almacena el resultado en los registros internos de la CPU o en la memoria. La fase de ejecución se realiza en los siguientes pasos, pero hay que tener en cuenta que si la instrucción no tuviese operandos, los pasos del 1 al 6 y el paso 8 se omitirían.