Funcionamiento de las computadoras

Transcripción

1 Funcionamiento de las computadoras Introducción a las ciencias de la computación Antonio López Jaimes UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA

2 Plan de la presentación El modelo de von Neuman Funcionamiento de la computadora 25-oct-05 2

3 Plan de la presentación El modelo de von Neuman El modelo de von Neuman Funcionamiento de la computadora 25-oct-05 3

4 El modelo de von Neuman Cuál es la diferencia fundamental entre una calculadora convencional y una computadora? La computadora se distingue de la calculadora por su capacidad de seguir instrucciones escritas en algún lenguaje y, además, almacenadas en su propia memoria. 25-oct-05 4

5 Algoritmo vs programa Un algoritmo es una especificación libre de ambigüedad de los pasos elementales para realizar algún proceso. Un programa es la transcripción de un algoritmo a algún lenguaje de programación para resolver el problema en una computadora. Algoritmo Traducción a algún lenguaje de programación (Implementación) Programa 25-oct-05 5

6 Modelo de von Neumann La idea central del modelo de von Neumann es almacenar las instrucciones del programa de una computadora en su propia memoria, de manera que la computadora siga los pasos definidos por su programa. 25-oct-05 6

7 Modelo de von Neumann Programa Memoria Datos de entrada de entrada central de procesamiento de salida 25-oct-05 7

8 Modelo de von Neumann Programa Memoria Datos de entrada de entrada central de procesamiento de salida 25-oct-05 8

9 es de entrada y salida ades de entrada y salida: dipositivos que permiten la entrada y salida de datos desde y hacia la memoria. Ejemplos: Entrada Teclado Mouse Disco Lectora de tarjetas Salida Monitor Impresora Disco Bocinas 25-oct-05 9

10 Modelo de von Neumann Programa Memoria Datos de entrada de entrada central de procesamiento de salida 25-oct-05 10

11 central de procesamiento La unidad central de procesamiento (U) tiene como función ejecutar instrucciones. La U se compone de dos partes: La unidad aritmética y lógica (UAL), la cual se encarga de hacer los cálculos. La unidad de control interpreta las instrucciones y determina el orden y la secuencia en que estas se ejecutan. aritmética y lógica U de control 25-oct-05 11

12 central de procesamiento Algunas instrucciones de la unidad aritmética y lógica: Operaciones aritméticas con enteros: Suma, resta, multiplicación. Operaciones lógicas: Y ( ), O ( ), O exclusiva ( ), negación ( ). 25-oct-05 12

13 Modelo de von Neumann Programa Memoria Datos de entrada de entrada central de procesamiento de salida 25-oct-05 13

14 Memoria La función de la memoria es almacenar datos codificados numéricamente. La memoria puede concebirse como un conjunto de celdas con las siguientes características: Cada celda contiene solamente un valor numérico. Cada celda se distingue de otra por medio de una dirección única. 25-oct-05 14

15 Memoria La memoria está organizada como un conjunto de celdas numeradas secuencialmente, es decir como un vector o arreglo. La U utiliza un apuntador para dirigirse a una celda en memoria especificando su dirección Apuntador Apuntador Apuntador Apuntador 25-oct-05 15

16 Operaciones sobre la memoria La U puede efectuar dos operaciones básicas sobre la memoria: leer el contenido de una celda y escribir un valor en una celda. Para leer se realizan los siguientes pasos: Proporcionar la dirección de la celda que se desea leer. Esperar que los circuitos de la memoria localicen y traigan el valor contenido en la celda, y lo dejen en una celda especial llamada registro. Recoger el dato obtenido y terminar. 25-oct-05 16

17 Operaciones sobre la memoria Para escribir se efectúan los pasos siguientes: Proporcionar a la memoria el dato que se desea depositar en la memoria. Proporcionar la dirección de la celda sobre la cual se escribirá. Esperar que los circuitos de la memoria depositen el dato. 25-oct-05 17

18 Plan de la presentación El modelo de von Neuman Funcionamiento de la computadora 25-oct-05 18

19 central de procesamiento Para que la U pueda ejecutar cualquier instrucción es necesario: Que las instrucciones sean entendibles por la U. Que las instrucciones estén almacenadas en la memoria. 25-oct-05 19

20 Necesidad de codificar las instrucciones Las celdas de la memoria solamente pueden almacenar datos numéricos, de manera que tenemos que codificar todos los datos usando números. Esto implica que también las instrucciones se deben convertir en números para introducirlas en la memoria. Esto es, las instrucciones se deben codificar. 25-oct-05 20

21 Necesidad de codificar las instrucciones Para realizar esta codificación debemos encontrar un esquema que asocie a cada instrucción de la U un valor numérico único. Instrucción SUMA RESTA Código La unidad de control de la U tiene una especie de diccionario que contiene la relación de las intrucciones codificadas. 25-oct-05 21

22 Lenguaje máquina El lenguaje máquina se refiere al esquema de codificación de instrucciones que «entiende» la unidad central de procesamiento. Los circuitos electrónicos de la unidad de control de la computadora reconocen y ejecutan solamente instrucciones codificadas en su lenguaje máquina. U SUMA 30 aritmética y lógica de control 25-oct-05 22

23 El acumulador de la U Para realizar operaciones con los datos, la U necesita tener estos valores en una celda especial o registro llamado acumulador. Esta condición requiere de una instrucción que lleve el contenido de una celda al acumulador, y otra para devolver el contenido del acumulador a una celda de la memoria. aritmética y lógica de control Acumulador 25-oct-05 23

24 Plan de la presentación El modelo de von Neuman Funcionamiento de la computadora Un primer programa 25-oct-05 24

25 Un primer programa: suma La suma de dos números cualesquiera. Necesitamos considerar tres cosas: Se requieren tres celdas de memoria: dos para los datos (sumandos) y otra para depositar el resultado. Es preciso definir las instrucciones por efectuar y su orden, y escribirlas en la codificación que entiende la máquina. Introducir los datos e instrucciones en la memoria. 25-oct-05 25

26 Instrucciones para efectuar la suma CARGA <dirección> Copia el contenido del acumulador en la celda con la <dirección> indicada. Ejem: CARGA aritmética y lógica Acumulador 30 de control U oct-05 26

27 Instrucciones para efectuar la suma GUARDA <dirección> Lleva al acumulador el valor de la celda con la <dirección> especificada. Ejem: GUARDA aritmética y lógica Acumulador 30 de control U oct-05 27

28 Instrucciones para efectuar la suma SUMA <dirección> Suma al acumulador el contenido de la celda referida por <dirección>. Ejem: SUMA aritmética y lógica Acumulador 30+21=51 de control U oct-05 28

29 Instrucciones para efectuar la suma CARGA <dirección> Lleva al acumulador el valor de la celda con la <dirección> especificada. GUARDA <dirección> Copia el contenido del acumulador en la celda con la <dirección> indicada. SUMA <dirección> Suma al acumulador el contenido de la celda referida por <dirección>. ALTO Indica la terminación del proceso. 25-oct-05 29

30 Instrucciones básicas de la U Los nombres de las instrucciones son nombres simbólicos (mnemónicos) para facilitar su uso, pero la U solamente leerá sus códigos asociados. La instrucciones ocupan celdas en la memoria: una para su código y otra(s) para su(s) parámetro(s). Por ejemplo, CARGA <dirección> ocupa una celda para su código y otra para la dirección. La longitud de una instrucción es número de celdas que ocupa en la memoria. 25-oct-05 30

31 Instrucciones básicas de la máquina Instrucción CARGA GUARDA SUMA ALTO Código* Longitud *Estos códigos son asignados de manera arbitraria para nuestro ejemplo. Una U real tiene su propia codificación de instrucciones. 25-oct-05 31

32 Secuencia ordenada de instrucciones Suponemos que de alguna manera, en la celda 20 está el primer sumando y en la 21 el segundo sumando ? Para sumar Datos del programa Código Instrucción CARGA 20 SUMA 21 GUARDA 22 ALTO Coloca el primer sumando en el acumulador (i.e., el 8) Ejecutar la suma Comentarios Colocar el resultado en la celda 22 Detener la ejecución 25-oct-05 32

33 Programa fuente Código Instrucción CARGA 20 SUMA 21 GUARDA 22 ALTO Colocar el primer número en el acumulador Ejecutar la suma Comentarios Colocar el resultado en la celda 22 Detener la ejecución Programa fuente Programa escrito en lenguaje mnemónico, el cual está más cercano al lenguaje entendible por los humanos. 25-oct-05 33

34 Programa objeto Código Instrucción CARGA 20 SUMA 21 GUARDA 22 ALTO Colocar el primer número en el acumulador Ejecutar la suma Comentarios Colocar el resultado en la celda 22 Detener la ejecución Programa objeto Programa escrito en lenguaje máquina (ejecutable, binario), el cual entiende directamente la computadora. 25-oct-05 34

35 Cargar el programa objeto Programa objeto: Para ejecutarse, el programa objeto necesita ser introducido en la memoria (i.e., ser cargado). Un programa especial (sistema operativo) cargará el programa objeto y asignará espacio para los datos Programa objeto Datos del programa Tenemos un «programa universal» que suma cualesquiera dos números en las celdas 20 y oct-05 35

36 El contador de programa La U posee otro registro llamado contador de programa (). El contiene la dirección de la siguiente celda de memoria a leer. Para calcular la dirección de la siguiente instrucción (actualizar ), se toma en cuenta la longitud de cada instrucción. aritmética y lógica de control Acumulador 25-oct-05 36

37 Ciclo de ejecución de la U Los pasos para ejecutar una intrucción son los siguientes: I. Ir a la memoria y extraer el código de la siguiente instrucción apuntada por el (ciclo de fetch). II. Decifrar la instrucción leída. III. Ejecutar la instrucción. IV. Actualizar el para apuntar a la siguiente instrucción que será leída. 25-oct-05 37

38 Ciclo de ejecución de la U Estas cuatro operaciones están «alambradas». Es decir, la máquina las ejecuta por medios electrónicos. Este ciclo se ejecuta de manera repetitiva a razón de millones de veces por segundo. I IV Actualización del Ciclo de fetch III II Decodificación Ejecución 25-oct-05 38

39 Pasos en la ejecución de un programa 0. Indicar a la unidad de control la celda donde inicia el programa. Esto es, colocar en el la dirección de la celda inicial (10 en el ejemplo). Esta tarea la realiza un programa especial, el sistema operativo oct-05 39

40 Pasos en la ejecución de un programa 1. La unidad de control leerá el contenido de la celda 10, que es 20 (paso I). Lee 20 de control oct-05 40

41 Pasos en la ejecución de un programa 2. La unidad de control decodifica el 20 y determina que se trata de la instrucción CARGA (paso II). de control 20 = CARGA (longitud 2) = Puesto que CARGA es de longitud dos, la unidad de control ajusta para que apunte al parámetro. 25-oct-05 41

42 Pasos en la ejecución de un programa 3. Se ejecuta la instrucción CARGA 20 (paso III). La U cargará el contenido de la celda 20 en el acumulador. de control oct Acumulador

43 Pasos en la ejecución de un programa 4. Se ejecuta el paso IV. La unidad de control ajusta el valor del a 12. El ciclo continuará hasta leer la instrucción ALTO. de control oct Acumulador

44 Pasos en la ejecución de un programa 5. Se vuelve al paso I. Se leerá la celda =12, que contiene 30. Lee 30 de control oct Acumulador

45 Pasos en la ejecución de un programa 6. Se decodifica la instrucción (paso II), que es SUMA. de control 30 = SUMA (longitud 2) = oct Acumulador

46 Pasos en la ejecución de un programa 7. Se ejecuta la instrucción SUMA 21 (paso III). Se suma al acumulador el contenido de la celda 21. de control =17 Acumulador oct-05 46

47 Pasos en la ejecución de un programa 8. Se ejecuta el paso IV nuevamente. El contador de programa se iguala a 14. de control oct Acumulador

48 Pasos en la ejecución de un programa 9. Se leerá la celda =14, que contiene el código 02 (paso I). de control Lee oct Acumulador

49 Pasos en la ejecución de un programa 10. Se decodifica la instrucción (paso II), que es GUARDA. de control 02 = GUARDA (longitud 2) = oct Acumulador

50 Pasos en la ejecución de un programa 11. Se ejecuta la instrucción GUARDA 22 (paso III). Se deposita el valor del acumulador (el resultado de la suma) en la cela 22. de control Resultado de la suma oct Acumulador 22

51 Pasos en la ejecución de un programa 12. Se ejecuta el paso IV nuevamente. El contador se iguala a de control oct Acumulador

52 Pasos en la ejecución de un programa 13. Se leerá la siguiente instrucción en la celda =16, que contiene 70 (paso I). de control Lee oct Acumulador

53 Pasos en la ejecución de un programa 14. Se decodifica la instrucción (paso II), que es ALTO. de control 70 = ALTO (longitud 1) no se mueve oct Acumulador

54 Pasos en la ejecución de un programa 15. Se ejecuta la instrucción ALTO (paso III). Se detiene la unidad de control y el proceso termina. Así se rompe el ciclo de cuatro pasos. de control Resultado de la suma oct Acumulador

55 Modos de direccionamiento Existen dos modos de direccionamiento: 1. Direccionamiento directo. El parámetro o dato de la operación se especifica mediante una dirección escrita enseguida el código de la instrucción. 2. Direccionamiento inmediato. El dato con el que se opera se especifica inmediantemente después del código de la instrucción. 25-oct-05 55

56 Modos de direccionamiento Ejemplo: Dir. directo Dir. inmediato SUMA 27 SUMA-i 27 Acumulador X + Y Acumulador X Y Suma al acumulador cualquier valor contenido en la celda con la dirección Suma al acumulador el número oct-05 56

57 Modos de direccionamiento Las operaciones de modo inmediato son menos generales, pues están restringidas a un valor fijo que forma parte del programa. Las operaciones de modo directo, son más versátiles ya que los valores referidos por la dirección pueden cambiar de una ejecución a otra sin modificar el programa (código fuente). 25-oct-05 57

58 Nuevo diccionario de intrucciones Direccionamiento directo Operación CARGA GUARDA SUMA RESTA DIV MULT ALTO Código Direccionamiento inmediato Operación CARGA-i SUMA-i RESTA-i DIV-i MULT-i Código oct-05 58

59 Instrucciones de entrada y salida La U se comunica con el exterior por medio de la unidad de entrada usando un puerto de entrada y otro de salida. Las instrucciones para que llevan a cabo esta operación son la siguientes: IN Toma el valor individual del puerto de entrada y lo deposita en el acumulador. OUT Copia el número del acumulador y lo deja en el puerto de salida. 25-oct-05 59

60 Instrucciones de comparación Para determinar si el valor x es mayor, menor o igual al valor y tenemos la siguientes instrucciones: COMP <dirección> Compara el contenido del acumulador con el valor de la celda con la dirección indicada. COMP-i <dato> Compara el contenido del acumulador con un número dado. 25-oct-05 60

61 El registro bandera de la U El resultado de las operaciones COMP y COMP-i se guarda en un registro de la U denominado bandera. aritmética y lógica Acumulador Bandera de control Los posibles resultados que se guardan en la bandera son: Igual = Mayor que > Mayor o igual que >= Diferente < > Menor que < Menor o igual que <= 25-oct-05 61

62 Saltos condicionales e incondicionales Saltos condicionales e incondicionales En ciertas situaciones se requiere ejecutar una sección de código A cuando se cumple una condición, y en caso contrario, ejecutar otra sección B. Cajero automático: Si la cadena es igual a la contraseña, entonces presentar menú de operaciones; en otro caso, pedir la contraseña nuevamente. Si el saldo es mayor o igual a la cantidad por retirar, entonces saldo = saldo cantidad retirada en otro caso, indicar que no hay saldo disponible. 25-oct-05 62

63 Saltos condicionales Ejecutar una secuencia A o B, implica «saltarse» una de ellas dependiendo del resultado de una comparación. Para ello se requiere de una instrucción de salto condicional como la siguiente: BR> <dirección> Salta a la celda con la dirección indicada si la bandera indica MAYOR QUE. De manera análoga, existe una instrucción de salto condicional para cada resultado de una comparación : BR=, BR<>, BR<, BR>, BR<=, BR>= 25-oct-05 63

64 Ejemplo de salto condicional Supongamos que tenemos un programa con una secuencia de instrucciones A y otra secuencia B Secuencia de Intrucciones de A Secuencia de Intrucciones de B Carga 650 Comp-i 10 BR= ra. instr. de A 1300 Última intr. de A ra. Instr. de B 1400 Última intr. de B Cargar el valor de la celda 650 Comparar ac. con el valor 10 Si el valor del ac. es igual a 10, saltar a la celda 1301 El valor del acumulador fue igual a 10 Se ejecuta la secuencia B 25-oct-05 64

65 Ejemplo de salto condicional Supongamos que tenemos un programa con una secuencia de instrucciones A y otra secuencia B Secuencia de Intrucciones de A Secuencia de Intrucciones de B Carga 650 Comp-i 10 BR= ra. instr. de A 1300 Última intr. de A ra. Instr. de B 1400 Última intr. de B Cargar el valor de la celda 650 Comparar ac. con el valor 10 Si el valor del ac. es igual a El 10, valor saltar del a acumulador celda 1301 es diferente de 10 Se ejecuta la secuencia A y también se ejecuta B 25-oct-05 65

66 Salto incondicional Si queremos que se ejecute solamente una de dos posibles secuencias, entonces al final de la primera sección habría que insertar una instrucción para saltar incondicionalmente al final de la segunda sección. Esta instrucción es el salto incondicional: BR <dirección> Brinca inmediatamente a la celda con la dirección indicada. 25-oct-05 66

67 Ejemplo de salto incondicional Supongamos que tenemos un programa con una secuencia de instrucciones A y otra secuencia B Secuencia de Intrucciones de A Secuencia de Intrucciones de B Carga 650 Comp-i 10 BR= ra. instr. de A Última intr. de A BR ra. Instr. de B Última intr. de B 25-oct Si el valor del ac. es igual a El 10, valor saltar del a acumulador celda 1301 es diferente de 10 Se ejecuta la secuencia A Salta al final de B

68 Circuito de memoria 25-oct-05 68