Bibliografía básica de referencia: Fundamentos de Informática para Ingeniería Industrial, Fernando Díaz del Río et al.

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1 1 Informática E.P.S. Universidad de Sevilla TEMA 2: Estructura de Computadores 2 BIBLIOGRAFIA Bibliografía básica de referencia: Fundamentos de Informática para Ingeniería Industrial, Fernando Díaz del Río et al.

2 3 ÍNDICE 2.1 INTRODUCCIÓN 2.2 EL PROCESADOR 2.3 SUBSISTEMA DE MEMORIA 2.4 SUBSISTEMA DE E/S 2.5 BUSES 4 1. INTRODUCCIÓN Organización básica de un computador: Modelo de Von Neumann CPU Memoria Bus del sistema E/S

3 5 2. PROCESADOR (1) Conceptos generales: Elemento principal y ACTIVO de un computador. Ejecuta las instrucciones de los programas una a una. PALABRA: tamaño de dato con el que opera o trabaja (en bits, y potencia de 2) Aportado generalmente por el tamaño de los REGISTROS DEL PROCESADOR (se verá luego) Formado por una serie de componentes internos que controlan la ejecución de las instrucciones paso a paso. Un reloj interno determina cuándo pasar de un paso al siguiente PROCESADOR (2): el reloj Elemento que marca el ritmo al que se suceden las diferentes acciones dentro del computador. Similar a cómo funciona un metrónomo para indicar al intérprete el tempo de una pieza musical. En la práctica, el reloj es un circuito que produce una señal que cambia automáticamente entre 0 y 1 de forma periódica. El resto de elementos del computador se sincroniza con esta señal, por ejemplo, con el flanco de subida (el momento en que el reloj pasa de valer 0 a valer 1) Cada ciclo completo en que el reloj pasa de 0 a 1, y vuelta otra vez a 0 se denomina ciclo de reloj. El computador ejecuta instrucciones de código máquina. Cada instrucción dura una serie de ciclos de reloj. Velocidad del reloj: medida en ciclos por segundo (frecuencia). Su unidad es el hertzio. Un múltiplo típico es el megahertzio (1 MHz = un millón de hertzios) Dos sistemas iguales, uno de ellos con un reloj más rápido que el otro, realizará sus tareas más rápidamente Aunque no conviene pasarse (overcloking)

4 7 2. PROCESADOR (3) Y cómo comparamos computadores de diferente tipo, que tienen tiempos de ejecución para instrucciones diferentes? Rendimiento del procesador: suele medirse en instrucciones por segundo. Este rendimiento está relacionado con la frecuencia del reloj pero intervienen también otros factores (por ejemplo, el número de ciclos que tarda en ejecutarse una instrucción). Por tanto, en general: N ciclos/segundo N instrucciones/segundo Ejemplo: Procesador A: reloj a 2MHz y cada instrucción tarda 3 ciclos de reloj en ejecutarse. Procesador B: reloj a 1 5MHz y cada instrucción tarda 2 ciclos de reloj en ejecutarse. Programa de 100 instrucciones, quién tarda menos? A: 100instr. x 3ciclos x 1/(2x10 6 ) seg. = segundos B: 100instr. x 2ciclos x 1/(1.5x10 6 ) seg. = segundos ES MÁS RÁPIDO EL B! 8 2. PROCESADOR (4) Procesadores en la actualidad: Mononúcleo (monocore) Un solo procesador. Multinúcleo (multicore): Cada núcleo es un procesador independiente que ejecuta un programa. Varios programas en paralelo. Caso ideal: Multinúcleo de N cores aceleración N con respecto al monocore Ejemplo: Procesador A: mononúcleo de 2,5MHz de reloj. Cada instrucción se ejecuta en 2 ciclos. Procesador B: 2 núcleos a 2MHz cada uno. Cada instrucción se ejecuta en 3 ciclos. Programa de 100 instrucciones, Quién tarda menos? Solución: A: 100 instr. x 2 ciclos x 1/(2.5x10 6 ) seg. = segundos. B: (100 instr. / 2 núcleos) x 3 ciclos x 1/(2x10 6 ) seg. = 0, segundos. ES MÁS RÁPIDO EL B!

5 9 3. MEMORIA (1) Elemento de un Computador destinado a almacenar información de los programas que se están ejecutando. Elemento pasivo al que acceden los restantes elementos para leer y escribir información. Cómo se comunican con él? Recibe una posición (dirección) de memoria y devuelve lo que hay en ella (dato). Similar a un casillero con múltiples posiciones (o a un vector) Conceptos generales: UBICACIÓN: dónde se sitúa físicamente (CPU, Interna, Externa) CAPACIDAD: Cantidad de información que se puede almacenar en ella. Expresada en KBytes, MBytes, GBytes o TBytes. UNIDAD DIRECCIONABLE: Cantidad de información que se almacena en una celda de memoria. Cada celda posee una dirección que la identifica. Su tamaño suele ser de un byte o una palabra del procesador. CAPACIDAD DE DIRECCIONAMIENTO: Número total de celdas de memoria que puede direccionar el procesador. Viene dado por el Bus de Direcciones (se verá luego) CAPACIDAD MÁXIMA: Capacidad de direccionamiento * Unidad direccionable TECNOLOGÍA: HW específico empleado para la construcción de la memoria. Ej: semiconductora, magnética, óptica MEMORIA (2) La memoria es generalmente más lenta que la CPU. Qué buscamos de la Memoria? Alta Velocidad Alta Capacidad Son excluyentes! Bajo Coste No hay tecnología barata que cumpla las tres Solución: organización de memorias de forma que el rendimiento global se acerque al ideal Jerarquía de memoria. LA MEMORIA NO ES SOLO LA RAM! (Memoria principal) + nº accesos REGISTROS - Capacidad + Velocidad + Coste CACHE - nº accesos MEMORIA PRINCIPAL MEMORIA SECUNDARIA + Capacidad - Velocidad -Coste

6 11 3. MEMORIA (3) Según su tecnología, hay varios TIPOS: Semiconductoras: almacenan la info. en circuitos electrónicos. Registros, M. Caché, M. Principal, Disco Duro de Estado Sólido (SSD) También Memorias flash, tarjetas de memoria Magnéticas: hacen uso de propiedades magnéticas para almacenar y leer info. Discos duros, cintas magnéticas, discos flexibles Ópticas: hacen uso de las propiedades de la luz (reflexión) para la lectura de info. CDs, DVDs, HD-DVD, Blu-Ray Hay algunos híbridos Minidisc Nos centraremos en Semiconductoras (implementadas en los principales niveles de la jerarquía de memoria) MEMORIA (4) Tipos de memorias semiconductoras: Volátiles: Contenido desaparece tras quitar alimentación (tipo RAM). Estática (SRAM): Muy rápidas. Alto coste por bit. Dinámica (DRAM): Bajo coste por bit. Sólo retienen el dato durante unos cuantos milisegundos: hay que refrescarlas. Esta operación reduce la velocidad a la que pueden responder. No volátiles: Contenido permanece (tipo ROM). ROM: programadas (escritas) en fábricas. PROM: programables (escribibles) una sola vez. EPROM: borrables mediante luz ultravioleta. EEPROM: borrado electrónico (BIOS). FLASH EPROM: iguales que EEPROM con más fácil borrado. Un pendrive integra en su interior uno o más módulos de memoria tipo Flash.

7 13 4. E/S (1) El ordenador se comunica con el mundo exterior mediante periféricos. Estos se componen de: Dispositivo externo o de E/S (ej. monitor, teclado, ratón,...) Módulo de E/S (ó controlador) a modo de adaptador/interfaz. Por qué no conectar directamente? Problema!: control y velocidades diversas, tamaño de datos diferente Necesidad de hacer una adaptación E/S (2) Funcionamiento de algunos periféricos: Ratón Teclado

8 15 5. BUSES (1) Los componentes de un computador (CPU, Memoria, E/S) se conectan entre sí mediante un conjunto de líneas que transmiten señales con funciones específicas. Tres tipos de señales que constituyen un bus: direcciones (de memoria o E/S), datos y control. Líneas/bus de datos: camino para transferir datos entre el resto de componentes de un computador. Su anchura (número de líneas eléctricas) suele ser una potencia de dos (8=2 3, 16=2 4, 32=2 5, 64=2 6,...). El tamaño del bus de datos indica, normalmente, el tamaño de palabra del procesador. Líneas/bus de direcciones: designan la posición/dirección de los datos. Son salidas de la CPU/procesador y determinan su capacidad de direccionamiento. Con N líneas de dirección su capacidad de direccionamiento es de 2 N celdas de memoria Líneas/bus de control: controlan el acceso y uso de las líneas/buses anteriores. Ejemplo: Bus de datos de 16 líneas. Bus de direcciones de 10 líneas Suponiendo que la unidad direccionable se corresponde con una palabra Capacidad Máxima de Direccionamiento? Solución: B. Dir. 10 líneas capaz de direccionar 2 10 celdas de memoria Unidad direccionable 1 celda de memoria 2Bytes Capacidad Máxima de Direccionamiento Nº de celdas de memoria * unidad direccionable = 2 10 * 2B = 2KB BUSES (2) BUS DE DIRECCIONES CPU BUS DE DATOS CONTROL E/S CONTROL MEMORIA Los buses se componen de líneas eléctricas que transmiten un 0 (cero voltios) o un 1 (más de cero voltios).

9 5. BUSES (3) 17