CAPÍTULO 1 COMPUTADORA DIGITAL. Modelo De Von Neumann

Transcripción

1 CAPÍTULO 1 COMPUTADORA DIGITAL Ua computadora digital es ua combiació de dispositivos y circuitos electróicos orgaizados de tal forma, que puede realizar ua secuecia programada de operacioes co u míimo de iterveció humaa. A la secuecia de operacioes se le deomia Programa. U programa es u cojuto de istruccioes codificadas que se almacea e la memoria itera de la computadora juto co todos los datos que el programa requiere. Por otra parte, para que la computadora pueda ser útil, es ecesario que ésta iteractúe co el exterior pidiedo datos para ser procesados, y muestre de algua forma los resultados que obtiee. Modelo De Vo Neuma La mayoría de las computadoras digitales basa su arquitectura e el modelo de Vo Neuma. E este modelo, ua computadora está formada por cuatro uidades que iteractúa etre sí. Estas cuatro uidades so: El procesador, La Uidad de Memoria, la Uidad de Etrada-Salida y La Uidad de Cotrol, ver figura 1-1. Figura 1-1. Modelo de Vo Neuma

2 2 Computadora Digital La iteracció de estas cuatro uidades se lleva a cabo a través de tres cojutos de coectores llamados coductos o buses: El bus de datos, el bus de direccioes y el bus de cotrol. El procesador El procesador es el dispositivo que ejecuta las istruccioes almaceadas e la memoria, el programa. Para lograr esto debe ser capaz de leer y escribir e la memoria y e la uidad de etrada-salida. Uidad de memoria Es u cojuto o arreglo de registros biarios de logitud defiida (8, 16, 32 o 64 bits), e los cuales se puede almacear istruccioes codificadas y datos. Cada uo de estos registros se caracteriza por teer ua direcció úica, por lo que geeralmete cada ua de estas localidades se idetifica por su direcció la cual es la posició que le toca a ese registro detro del arreglo. Las direccioes se expresa siempre e hexadecimal. Uidad de etrada-salida Ua uidad de etrada-salida, llamada tambié puerto, es u dispositivo empleado por la computadora para recibir o eviar datos al mudo exterior. Alguos de estos dispositivos so: Teclado, rató, iterruptores, impresora, moitor, discos magéticos, tarjetas de comuicació, etc. Estos dispositivos al igual que las localidades de memoria tiee direccioes úicas por medio de las cuales el procesador iteractúa co ellos. Estas direccioes se expresa geeralmete e hexadecimal. Uidad de cotrol La fució de la Uidad de cotrol es coordiar la operació de todas las otras uidades ofreciedo señales de temporizació para mateer el sistema e sicroizació adecuada y de cotrol para seleccioar si se desea leer o escribir a ua localidad de memoria o a u dispositivo de etrada-salida. Buses de datos, direccioes y cotrol El procesador utiliza el bus de datos para mover datos etre el procesador y la memoria, etre el procesador y los dispositivos de etrada-salida (puertos) o etre la memoria y los dispositivos de etrada-salida. El procesador utiliza el bus de direccioes, para idicar la direcció de memoria o puerto sobre la que quiere leer o escribir. Por último el bus de cotrol se utiliza para habilitar el dispositivo sobre el que se va a leer o escribir e idicar cual de estas operacioes se va a realizar.

3 Capítulo 1 Computadora Digital 3 El Procesador E la figura 1-2 se muestra u modelo simplificado de u procesador o CPU (del iglés Cetral Processig Uit). Figura 1-2. Modelo simplificado de u procesador Geeralmete las istruccioes que forma u programa se ecuetra almaceadas e forma cosecutiva a lo largo de la memoria. Para ejecutar u programa el procesador sólo ecesita realizar cíclicamete los siguietes pasos: 1. Lee de la direcció de memoria idicada por el aputador de istruccioes, IP, el byte de istrucció y la evía al decodificador de istruccioes, ID. El aputador de istruccioes, es u registro itero del procesador, el cual cotiee la direcció de memoria dode se ecuetra la próxima istrucció a ser ejecutada. Al iicio, el aputador de istruccioes cotiee la direcció de la primera istrucció del programa. 2. Actualiza el IP para que apute al siguiete byte. 3. Idetifica o decodifica la istrucció mediate la circuitería del ID. 4. Si se requiere, lee el valor del operado de la direcció de memoria idicada por el IP. 5. Si se requiere, Actualiza el IP para que apute al siguiete byte. 6. Ejecuta la istrucció. El ID geera las señales ecesaria para que:

4 4 Computadora Digital La uidad aritmética y lógica, ALU, ejecute las operacioes idicadas por la istrucció Se almacee el resultado e el acumulador, ACC. El acumulador es u registro utilizado para almacear el dato sobre los que se va a hacer ua operació y el resultado de la operació. Se almacee e el registro de código de codicioes, CCR, el estado de la operació realizada. Uo de los bits de ese registro idica si el resultado de la operació fue cero, otro si fue egativo, otro si geeró u acarreo, etc. Alguas istruccioes utiliza uo o más de los valores que ua istrucció aterior dejó e este registro como parte de sus operados. Istruccioes Del Procesador Cada procesador tiee u cojuto de istruccioes que puede realizar. Por medio de éstas se especifica el programa que queremos que ejecute el procesador. Este cojuto de istruccioes se le cooce como juego de istruccioes. Las mayoría de las istruccioes está formadas por dos partes: la operació y los operados. La operació es la acció que debe realizarse. Los operados so los elemetos sobre los que se realizará ésta acció. Por lo tato, depediedo de su tipo, las istruccioes puede teer cero uo o más operados. Si embargo e todas las istruccioes existe la operació. Cada operació está codificada mediate ua secuecia biaria úica llamada código de la operació. Como los operados so tambié secuecias biarias, cada istrucció se codifica mediate ua secuecia de bytes: uo o más para el código de la operació y cero, uo o más para los operados. U programa dode sus istruccioes está codificadas como secuecias biarias está e leguaje máquia. Para ilustrar lo aterior, supogamos u microprocesador básico e el que los códigos de operació sea de u byte y los operados sea tambié de u byte. Supogamos tambié que el juego de istruccioes que tiee uestro procesador básico cotiee etre otras, las istruccioes mostradas e la tabla 1.1:

5 Capítulo 1 Computadora Digital 5 Tabla 1.1 Cojuto de istruccioes de u procesador básico. Código De la Istrucció Descripció Operació ACC Cargar e el acumulador del procesador u úmero. 01 ACC [] Cargar e el acumulador del procesador el coteido de la direcció. 02 [] ACC Almacear el coteido del acumulador e la direcció. 03 ACC ACC + Sumarle al acumulador el úmero y guardar el resultado e el acumulador. 04 Sumarle al acumulador el coteido de la ACC ACC + [] direcció y guardar el resultado e el 05 acumulador. Istrucció Codificada Leguajes Máquia, Esamblador Y De Alto Nivel A grades rasgos, la evolució de la programació desde la programació e el leguaje máquia, leguaje de bajo ivel o esamblador y los leguajes de alto ivel es la siguiete: Las primeras computadoras era programadas alimetado maualmete las secuecias biarias que costituía las istruccioes del programa mediate ua batería de iterruptores. Obviamete programació de esas primeras computadoras era ua tarea muy tediosa y sujeta a errores. Posteriormete se substituyó la batería de iterruptores por teclados hexadecimales que permitía que el programador cargara ua secuecia de cuatro bits presioado ua sola tecla del teclado hexadecimal. El primer avace sigificativo e la programació fue la iveció del leguaje esamblador. E el leguaje esamblador las operacioes del procesador so codificadas mediate secuecias de caracteres e lugar de secuecias biarias. Estas palabras llamadas memóicos, so por lo geeral el ombre de la operació o ua abreviatura de éste. E la tabla 1.2 se ilustra alguos memóicos de alguas de las istruccioes. Adicioalmete, e el leguaje esamblador, a las localidades de memoria e las que se almacea datos se les puede asigarse ombres simbólicos de modo que esas localidades puede refereciarse usado sus ombres e lugar de sus direccioes.

6 6 Computadora Digital Tabla 1.2 Memóicos de las istruccioes Istrucció Memóico Istrucció e esamblador ACC mov mov ax, ACC [] mov mov ax, [dato] [] ACC mov mov [resultado], ax ACC A + add add ax, ACC A + [] add add ax, [dato] U programa escrito e leguaje esamblador es traducido al leguaje máquia de la computadora dode se va a ejecutar mediate u programa traductor llamado esamblador. Como las istruccioes del leguaje esamblador so las mismas que el procesador puede ejecutar, cada procesador tiee su leguaje esamblador el cual es diferete del esamblador de otro procesador. El siguiete avace e la programació cosistió e la iveció de los leguajes de alto ivel. La pricipal vetaja de los leguajes de alto ivel es que las istruccioes e esos leguajes, se escribe e ua forma más etedible por las persoas ya que se parece al leguaje que empleamos e uestra vida diaria. Aquí, el programa que traduce el programa escrito e leguaje de alto ivel a u programa e leguaje máquia se cooce como compilador. Otra vetaja de los leguajes de alto ivel es que los programas escritos e éstos so hasta cierto puto idepedietes del procesador e que se va a ejecutar los programas. Para trasportar u programa de u procesador a otro, casi siempre es suficiete co compilarlo co u compilador que geere código máquia para el uevo procesador. Las desvetajas de los leguajes de alto ivel co respecto al leguaje esamblador so: E primer lugar, la mayoría de los leguajes de alto ivel limita al programador e cuato a las tareas que éste puede hacer y e segudo lugar u programa producido usado u leguaje de alto ivel es de mayor tamaño y más leto de uo equivalete escrito e leguaje esamblador. Los siguietes dos ejemplos ilustra cómo ocurre la coversió etre las istruccioes de u programa de alto ivel y sus correspodietes istruccioes e leguaje máquia: 1. Cosidere la siguiete proposició e el leguaje C: c = a + b; Si supoemos que las variables a, b, c está e las localidades cuyas direccioes so 25, 33 y 37, respectivamete, etoces la proposició aterior correspodería al siguiete cojuto de istruccioes de uestro procesador básico:

7 Capítulo 1 Computadora Digital 7 Istruccioes Codificació ACC [25] ACC ACC + [33] [37] ACC Cosidere la siguiete proposició e el leguaje C: z = x y Si supoemos que las variables x, y, z está e las localidades cuyas direccioes so 23, 44 y 17, respectivamete, etoces la proposició aterior correspodería al siguiete cojuto de istruccioes de uestro procesador básico: Istruccioes Codificació ACC [23] ACC ACC ACC ACC + [44] [17] ACC Problemas Para cada ua de las siguietes proposicioes e el leguaje C, escriba el correspodiete cojuto de istruccioes que deberá ejecutar el procesador básico y codifíquelas a leguaje máquia. Añada las istruccioes que sea ecesarias. 1. z = x + 13 * y 2. z = (x + 13) * y

8 8 Computadora Digital Bibliografía 1. Brey, Barry B. Los microprocesadores Itel: 8086/8088, 80186, 80286, y Arquitectura, programació e iterfaces. Tercera Edició. Pretice-Hall Hispaoamericaa, S. A. México Hyde, Radall. The Art of Assembly Laguage Programmig. Este libro se ecuetra como ua serie de documetos PDF e el siguiete servidor FTP: ftp.cs.ucr.edu/pub/pc/ibmpcdir 3. Mao, M. Morris. Lógica Digital y Diseño de Computadores. Pretice-Hall Hispaoamericaa, S. A. México Mao, M. Morris. Igeiería Computacioal: Diseño del Hardware. Pretice-Hall Hispaoamericaa, S. A. México Morga, Christhopher L, y Waite Mitchel. Itroducció al microprocesador 8086/8088 (16 bits). McGraw-Hill/Iteramericaa de México, S.A de C. V. México