BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS M.C. RICARDO ÁLVAREZ GONZALEZ

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1 BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA APUNTES DE LA MATERIA : ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS MC RICARDO ÁLVAREZ GONZALEZ VERANO

2 UNIDAD 1: Un panorama sobre el estado del arte de la arquitectura de 11 Introducción 12 Historia de la arquitectura de computadoras 13 Conceptualización de arquitectura de computadoras 14 La computadora como un sistema multinivel a) Hardware b) Software 15 Diferentes topologías de arquitectura de computadoras a) Monolíticas b) Paralelas c) Segmentadas d) Distribuidas 16 Diferentes tipos y familias de microprocesadores a) Microprocesadores CISC b) Microprocesadores RISC computadoras UNIDAD 2: Diseño de sistemas mínimos de computadoras 21 Elementos básicos de una computadora a) Microprocesador b) Memoria c) Dispositivos de entrada-salida d) Trayectoria de datos 22 Diseño de bancos de memoria a) Tipos de memoria b) Mapeo de memoria c) Técnicas para el diseño de bancos de memoria d) Técnicas para el diseño de decodificadores de memoria 23 Dispositivos de entrada-salida a) El elemento básico de almacenamiento como puerto b) Los registros como dispositivos periféricos c) Técnicas de decodificación de puertos d) Modelos de periféricos programables 24 Trayectoria de datos a) Bus de direcciones b) Bus de datos c) Bus de control 25 Modelado del software de un sistema mínimo a) Sistema operativo b) Intérprete de comandos c) Manejador de recursos d) Algoritmos del problema de aplicación 2

3 UNIDAD 3: Sistemas mínimos de computadoras empotradas 31 Características generales del microcontrolador 32 Organización de memoria de los microcontroladores a) Memoria de programa b) Memoria de datos c) Conjunto de registros de propósito general d) Conjunto de registros de funciones especiales 33 Puertos de entrada-salida a) Puerto paralelo b) Puerto serie 34 Dispositivos de entrada-salida de propósito especial a) Timer /Contadores b) Interfaz puerto serial c) Sistema de interrupciones 35 Técnicas de diseño de sistemas basados en microcontroladores UNIDAD 4: Aplicaciones 41 Planteamiento de un problema real con factibilidad de solución mediante la aplicación de un sistema mínimo 42 Diseño de un sistema mínimo 43 Prueba del diseño utilizando un simulador de hardware 44 Diseño y prueba del software de aplicación 45 Integración del proyecto 46 Reporte del proyecto 3

4 INTRODUCCIÓN Se presenta a continuación los apuntes de la materia Arquitectura de Computadoras del plan 2000 de la Licenciatura en Electrónica; y el objetivo de este documento es facilitar el acceso a los alumnos de las notas del curso, debe considerarse que se elaboraron teniendo como base la bibliografía especificada, y representan un extracto del material tratado con todo lujo de detalle en dicha bibliografía, de tal manera que se sugiere al lector consultar dicha literatura para abundar sobre el tema que considere que se trata aquí de una manera muy escueta, y sobre todo cuando quiera esclarecer alguna duda que prevalezca aun después de habérsela consultado al profesor Ricardo Álvarez González Verano

5 UNIDAD 1: UN PANORAMA SOBRE EL ESTADO DEL ARTE DE LAS COMPUTADORAS Computadora: Es un sistema digital de alta capacidad de procesamiento de información, recibe datos de entrada, genera resultados a alta velocidad y con gran exactitud, mediante la ejecución de programas PROCESADOR CPU MEMORIA ALU + Registros DATAPATH PROGRAMA DATOS DISPOSITIVOS DE ENTRADA CONTROL DISPOSITIVOS DE SALIDA Figura 11 Bloques básicos que forman una computadora Se considera a la computadora, como la causante de una revolución de civilización: - Revolución Agrícola - Revolución Industrial - Revolución de Información ORGANIZACIÓN DE COMPUTADORAS- Unidades lógicas: CPU, memoria, E/S, funciones y operación Interconexión y característica de cada elemento Explicación de cómo se encuentra formada la computadora Se refiere a las unidades operacionales y sus interconexiones que realiza las especificaciones de la arquitectura ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS- Forma de construir cada unidad lógica para que realicen las funciones especificadas por su organización 5

6 Elementos básicos de la computadora Arquitectura: diseño de componentes Se refiere a los atributos de un sistema que son visibles a un programador; es decir los atributos que tienen un impacto directo en la ejecución lógica de un programa LA ORGANIZACIÓN DE UNA COMPUTADORA Se refiere a las unidades lógicas que la componen (como la unidad central de proceso, la unidad de memoria y la unidad de entrada/salida), las funciones que realizan, su operación y la forma en que se relacionan y se comunican unas con otras Se refiere a la manera en que los componentes operan y la forma en que se conectan para formar el sistema de la computadora Se refiere a las unidades operacionales y su interconexión que efectúan las especificaciones de la arquitectura LA ARQUITECTURA DE UNA COMPUTADORA Se ocupa de la estructura y comportamiento de la computadora desde el punto de vista del usuario, incluye los formatos de información, el conjunto de instrucciones y las técnicas para direccionamiento de memoria El diseño de la arquitectura de un sistema de computadora se ocupa de las especificaciones de los varios módulos funcionales tales como los procesadores y la memoria; y de estructurales conjuntamente en un sistema de computadora Diseño de hardware para la ejecución de programas de software DIFERENCIAS- Una arquitectura puede sobrevivir muchos años, pero su organización cambia con la evolución de la tecnología Computadoras- Tremenda variedad de productos, desde microcomputadoras en un solo chip, que cuestan unos cuantos dólares, hasta las supercomputadoras que cuestan docenas de millones de dolares 6

7 Año Nombre Hecho por Comentario 1834 Máquina analítica Babbage 1er intento de construir una computadora digital 1936 Z1 Zuse 1er Calculadora de Relevadores, funcional 1943 Colossus Gobierno inglés 1a Computadora electrónica 1944 Mark 1 Aiken Primer computadora estadounidense, propósito general 1946 ENIAC 1 Eckert / Mauchley Inicia la historia moderna de la computación 1951 Whirlwind MIT 1a Computadora de tiempo real Casi todas las máquinas actuales tienen el mismo 1952 IAS Von Neuman diseño 1960 PDP-1 DEC 1a Minicomputadora (50 vendidas) IBM Máquina pequeña para negocios muy popular IBM Cómputo científico 1963 B5000 Burroughs 1a Máquina diseñada para un lenguaje de alto nivel IBM Línea de productos diseñada como familia CDC 1a Supercomputadora científica 1965 PDP-8 DEC 1a Minicomputadora con mercado masivo (50 K vendidas) 1970 PDP-11 DEC Dominó las minicomputadoras de los años ' Intel 1er microprocesador de propósito general de 8 bits en un chip 1974 Cray I Cray 1er Supercomputadora vectorial 1978 VAX DEC 1er Supercomputadora de 32 bits 1981 IBM PC IBM Inicia la era de la computadora personal moderna 1985 MIPS MIPS 1a Máquina RISC comercial 1987 SPARC SUN 1a Estación de trabajo, basada en SPARC 1990 RSC6000 IBM 1a Máquina super escalar Figura12 Algunos acontecimientos importantes en la evolución de la computadora GENERACIÓN CERO (COMPUTADORAS MECÁNICAS) [ ] 1642 Máquina calculadora funcional de Blaise Pascal Era una máquina que funcionaba con engranes; impulsada por una manivela, solo podía sumar y restar 30 años después Leibniz ( ) construyó una máquina mecánica de 4 operaciones: suma, resta, multiplicación y división 150 años después, un profesor de matemáticas de Cambridge, Charles Babbage ( ) diseño y construyó su maquina de diferencias, solo sumaba y restaba, fue diseñada para calcular tablas de números útiles para la navegación marítima Solo podía ejecutar un solo algoritmo, el método de las diferencias finitas empleando polinomios Como salida, perforaba sus datos en una placa de cobre con un troquel de acero 7

8 Babbage inició el diseño y construcción de su máquina analítica, la cual tenía cuatro componentes: - Almacen (Memoria) 1000 palabras de 50 dígitos decimales - Molino (Unidad de cómputo) - Sección de entrada (lector de tarjetas perforadas) - Sección de salida (salidas perforadas y las impresoras) Era una máquina totalmente mecánica, la cual era programada con un sencillo lenguaje ensamblador Para el desarrollo del software, Babbage contrató a Ada Lovellace, en honor a ella se llamó así a un lenguaje de programación Generación Fechas Tecnología Nuevo producto principal Bulbos Computadora electrónica comercial Transistores Computadoras baratas Circuito Integrado Minicomputadora Computadoras personales y estaciones de ? LSI y VLSI trabajo 5 199?-20?? Microprocesador? Dispositivos de computación portátiles? Figura 13 Generaciones de Computadoras MÁQUINA COLOSUSS Originada en un laboratorio supersecreto del gobierno inglés, Alan Turing ayudó a diseñar esta máquina, funcionó en 1943 Secreto militar durante 30 años MÁQUINA MARK 1 Diseñada por Howard Aiken, fué una máquina de reveladores, diseñada en Harvard tenía la capacidad para trabajar con 72 palabras de 23 dígitos decimales cada una; tiempo de instrucción: 6 segundos E/S mediante cinta perforada MÁQUINA ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), consistía de bulbos y 1500 relevadores, pesaba 30 toneladas y consumía 140 KW de potencia Tenía 20 registros, cada uno de ellos capaz de almacenar un número decimal de 10 dígitos Se programaba ajustando 6000 interruptores de multiposición y conectando numerosas bases con una verdadera maraña de cables interconectados Se termino en 1946 diseñada por Mauchley y Eckert 8

9 MÁQUINA EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculador), arquitectura basada en acumulador; construida en 1949 por Maurice Wilkes en la Universidad de Cambridge IAS (Institute Advanced Studies Princeton) construida por Eckert, Mauchly, Von Newman Aparece el diseño básico de lo que hoy conocemos como arquitectura de Von Newman, se usó en la EDSAC, la 1ª computadora de programas almacenados Esta máquina tenía 5 partes básicas: Memoria, ALU, Unidad de Control, y el equivalente de entrada y salida Memoria de 4096 palabras; de 40 bits cada una Cada palabra tenía 2 instrucciones de 20 bits, o un entero con signo de 40 bits 8 bits indicaban el tipo de instrucciones y 12 bits especificaban una de las 4096 palabras de memoria Whirlwind Diseñada en MIT Dirigido a aplicaciones de tratamiento de señales de radar en tiempo real Se da el origen de la creación de memorias de núcleos magnéticos de 16 bits FAMILIAS DE COMPUTADORAS Muchos fabricantes de computadoras ofrecen una familia de modelos de computadoras, todas con la misma arquitectura, pero con diferente organización Consecuentemente los diferentes modelos en la familia tienen diferentes precios y características de ejecución Chip Fecha MHz Transistores Memoria Notas Primer microprocesador en un / , chip / , KB 1er Microprocesador de 8 bits / , KB 1ra CPU de propagación gral En un bit / ,000 1 MB 1ra CPU de 16 bits en un chip / ,000 1 MB Se usó en la IBM PC Cuenta con protección de / , BM memoria / ,000 4 GB 1erCPU de 32 bits / M 4 GB _Memoria caché de 8K interna Pentium 3/ M 4 GB Dos cond, modelo posterior MMX Pentium Pro 3/ M 4 GB Dos niveles de caché interna Pentium II 5/ M 4 GB Pentium Pro más MMx Figura 14 La familia de CPU Intel Las velocidades de reloj se miden en MHZ 9

10 Propiedad Modelo 30 Modelo 40 Modelo 50 Modelo 65 Desempeño relativo Tiempo de ciclo (ns) Memoria máxima (KB) Bytes obtenidos por ciclo No Máximo de canales de datos Figura 15 La oferta inicial de la línea de productos IBM

11 Organización Básica de una Computadora: ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Señales del Bus de Control: a diferencia del bus de direcciones y del bus de datos, cada una de las señales de este bus funciona independiente Arquitectura Von Neumann: El tamaño de la palabra de memoria y de la palabra de datos es el mismo (o equivalente), de tal manera que una parte del Mapa de memoria corresponde a programa y otra corresponde a datos Arquitectura Harvard: El tamaño de la palabra de memoria de programa y la palabra de memoria de datos es diferente Los mapas de memoria de programa y de memoria de datos son ajenos Se puede accesar concurrentemente a instrucciones y a datos Es mucho más rápida, va de la mano con RISC Procesadores RISC - R: Reduced I: instruction S: Set C: Computer Procesadores CISC- C: Complex I: Instruction S: Set C: Computer Los componentes de una computadora estan conectados mediante buses: 11

12 Bus de direcciones: Cuando el procesador lee instrucciones de ó escribe datos a la memoria a la que desea accesar Cada dispositivo de E/S como un monitor, teclado o disco duro también tienen una dirección de memoria Los datos son transferidos vía el bus de datos, cuando el CPU busca datos de la memoria primero se leen las direcciones del bus de direcciones, después el microprocesador genera la señal de lectura, y accede a las instrucciones mediante el bus de datos El bus de control, consiste en un conjunto de señales dedicadas a realizar operaciones tales como lectura (RD), escritura (WR), especificar si una lectura o escritura se refiere a un dispositivo de memoria, o a un dispositivo de salida (M/IO), la señal de reset etc Un sistema puede tener una jerarquía de buses: Puede usar bus de direcciones, de datos y de control para accesar a la memoria y a un controlador de E/S El controlador de E/S, en cambio, podría accesar a todos los dispositivos de E/S usando un segundo bus llamado: Bus local ó Bus de E/S La perspectiva práctica describe al bus PCI, un bus local usado comunmente en computadoras personales Microprocesadores CISC- Complex Instruction Set Computer 200 a 300 instrucciones (DEC VAX ) y las mainframe de IBM RISC- Reduced Instruction Set Computer 50 instrucciones (MIPS) Si una máquina RISC requiere 4 ó 5 instrucciones para hacer lo que una máquina CISC hace en una instrucción, pero si las instrucciones RISC son diez veces más rápidas (por que no se interpretan), RISC gana Computadora Digital: Se considera una máquina multinivel TRADUCCIÓN: Sustituir primero cada instrucción escrita en L1 por una sucesión equivalente de instrucciones en L0 Después la computadora ejecuta el nuevo programa en L0 en lugar del antiguo programa en L1 El programa que realiza esto se llama compilador INTERPRETACIÓN: Consiste en escribir un programa en L0 que tome programas de L1 como datos de entrada y los ejecute examinando sus instrucciones una por una y ejecutando directamente la sucesión de instrucciones en L0 que equivale a cada una Con esta técnica no es necesario generar primero un nuevo programa en L0 El programa que hace esto se llama intérprete Ambos métodos se usan ampliamente y cada vez se usa más una combinación de los dos 12

13 En vez de pensar en traducción o interpretación, se puede pensar en la existencia de una computadora hipotética ó máquina virtual cuyo lenguaje de máquina sea L1 Mn Ln Máquinas virtuales M2 L2 M1 L1 M0 L0 Máquina real La invención de una serie de lenguajes, cada uno más cómodo que sus predecesores, puede continuar indefinidamente, hasta llegar a uno adecuado Para transportar programas binarios entre máquinas distintas, SUN definió una arquitectura virtual llamada JVM (Java Virtual Machine), la cual tiene una memoria formada por palabras de 32 bits y puede ejecutar 226 instrucciones Nivel n Nivel 2 Máquina Virtual Mn Lenguaje Máquina Ln Máquina Virtual M2 Lenguaje Máquina L2 Nivel 1 Máquina Virtual M1 Lenguaje Máquina L1 Máquina Multinivel Nivel 0 Máquina Real M0 Lenguaje Máquina L0 Los programas en Ln son interpretados a una máquina inferior ó se traducen a un lenguaje de máquina Los programas en L2 son interpretados en M1 ó M0 se traducen a L1 ó L0 Los programas en L1 son Interpretados en M0 ó se traducen a L0 Los circuitos electrónicos ejecutan directamente los programas en L0 13

14 Nivel 5 Nivel 4 Nivel 3 Nivel 2 Lenguaje orientado hacia problemas Traducción (compilador) Nivel de Lenguaje Ensamblador Nivel de Sistema operativo Traducción (Ensamblador) Nivel de arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) Interpretación parcial (Sistema Operativo) Interpretación (microprograma) ó ejecución directa Nivel 1 Microarquitectura Hardware Nivel 0 Lógica Digital Computadora de Seis Niveles CLASIFICACIÓN DE LAS COMPUTADORAS POR POTENCIA Y TAMAÑO (POSIBLE TRASLAPE) PC- Computadora pequeña, de un solo usuario, basada en un microprocesador (µp) WORK STATION- Poderosa computadora de un solo usuario Similar a una PC, pero con un µp más potente MINICOMPUTADORA- Computadora multiusuario, capaz de soportar desde 10 hasta cientos de usuarios simultáneamente MAINFRAME- Computadora multiusuario, capaz de soportar desde cientos a miles de usuarios simultáneamente SUPERCOMPUTADORA- Computadora extremadamente rápida que puede ejecutar cientos ó millones de instrucciones por segundo Podriamos definir elementalmente al Paralelismo: Hacer 2 ó mas actividades al mismo tiempo 14

15 Paralelismo Nivel de instrucciones: Fila de procesamiento (pipeline) típicamente 5 etapas Nivel del procesador: Múltiples CPU trabajando juntas con el mismo problema Filas de procesamiento: se divide la ejecución de instrucciones en varias partes, cada una de las cuales se maneja con un componente de hardware dedicado, y todos estos componentes pueden operar en paralelo S1 S2 S3 S4 S5 Unidad de busqueda de instrucciones Unidad de decodificación de instrucciones Unidad de búsqueda de operandos Unidad de ejecución de instrucciones Unidad de escritura de resultados Fila de procesamiento de cinco etapas S S S S S Tiempo Estado de cada etapa en función del tiempo El uso de filas de procesamiento permite balancear la latencia (el tiempo que tarda en ejecutarse una instrucción) y el ancho de banda del procesador (cuantas MIPS puede ejecutar la CPU) 15

16 ARQUITECTURAS SUPERESCALARES S1 S2 S3 S4 S5 Entrada de Decodificación de instrucciones Búsqueda de Operandos Ejecución Escritura de resultados Búsqueda de Instrucciones Decodificación de instrucciones Búsqueda de operandos Ejecución Escritura de resultados Fila de procesamiento dual de 5 etapas Una sola unidad de búsqueda de instrucciones trae pares de instrucciones y coloca cada una en su fila de procesamiento, que cuenta con su propia ALU para poder operar en paralelo Para que la fila de procesamiento dual funcione redituablemente, se deben de cumplir dos requerimientos: Las dos instrucciones no deben competir por el uso de recursos Que no dependa el resultado una de la otra El compilador debe garantizar el cumplimiento de esta situación 486 tiene una fila de procesamiento Pentium tenía dos filas de procesamiento de cinco etapas Con un tiempo de ciclo de Tns y n etapas en la fila de procesamiento, esta latencia es de ntns y el ancho de banda es de 1000 / T MIPS Arquitectura Superescalar Concepto Superescalar S3 puede emitir instrucciones con mucho más rapidez de lo que S4 puede ejecutarlas Casi todas las unidades funcionales de S4 tardan mucho más de un ciclo de reloj en ejecutarse Paralelismo al nivel del procesador Demanda de computadoras rápidas: Límite- 20 cm/ns en alambre de cobre ó fibra óptica Chips más rápidos, producen más calor El paralelismo en el nivel de instrucciones ayuda un poco El funcionalismo superescalar mejora en un factor de 5 ó 10 16

17 Para ganancias de 50, 100 ó más, se pueden tener computadoras con múltiples CPU Para problemas matriciales, o que sean altamente regulares, es conveniente la ejecución en paralelo UNIDAD DE CONTROL P P P P P M M M M M P M P M Arreglo de 8 x 8 procesadores, tipo ILLIAC IV Una sola unidad de control transmitirá instrucciones que serán ejecutadas simultáneamente por todos los procesadores, cada uno de los cuales utilizara sus propios datos de su propia memoria que se carga durante su fase de inicialización Procesador vectorial Todas las operaciones de suma se ejecutan en un solo sumador provisto de muchas filas de procesamiento Ejemplo Cray I (modelos actuales) Multiprocesador: Sistema con varios CPU que comparten una memoria común Multiprocesador con un solo bus 17

18 Multicomputadora con memorias locales Memoria Local: Se usa para el código de programa y datos que no es necesario que se compartan Multicomputadoras Gran número de computadoras interconectadas, cada una con su memoria y sin una memoria en común Las computadoras se comunican enviándose mensajes En sistemas grandes se usan topologías como retículas bi y tridimensionales, árboles y anillos se han construido multicomputadoras casi CPU Multiprocesadores: Más fácil de programar Multicomputadoras: Más fácil de construir Se investiga la posibilidad de diseñar sistemas híbridos 18