Universidad Nacional de Catamarca Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Transcripción

1 Universidad Nacional de Catamarca Facultad de Ciencias Exactas y Naturales CICLO PROFESORADO EN COMPUTACIÓN PRIMER AÑO ASIGNATURA ARTICULACIÓN CURRICULAR II Ing. Georgina Inés Cerúsico

2 OBJETIVOS Comprender cómo se manipulan los datos en el interior de una computadora. Comprender cómo es el funcionamiento de una computadora de acuerdo al Modelo Von Neumann. Comprender conceptos básicos relacionados con las redes de computadoras. Apreciar y comprender los desafíos que se presentan, especialmente en las áreas de la conectividad, la confiabilidad, el management de la red y la flexibilidad de las redes de computadoras. Adquirir destreza en el manejo de la bibliografía especializada. Reforzar habilidades y actitudes relacionadas con el trabajo en grupo.

3 CONTENIDOS MÍNIMOS DE LA ASIGNATURA Arquitectura del Procesador: Sistemas Digitales: Sistemas Combinatorios y Secuenciales, Autómatas Circuitos Básicos- Estructura de una Computadora: Máquina Von Neumann. Redes: Métodos de Estructuración: Modelos de Capas y Cliente Servidor de Objetos. Redes de Computadoras. Arquitectura de Redes Locales: Topologías más comunes Internetworking - Protocolos de Internet.

4 CONDICIONES PARA LA APROBACIÓN Arquitectura del Procesador Asistencia y participación en clase. Realización de todos los trabajos de clase y extraclase. Cada alumno, debe tener en su carpeta todos las actividades completas. Presentación y defensa de un Trabajo Especial tipo monográfico grupal sobre Características y Microarquitectura de los Procesadores Actuales. La defensa del Trabajo sobre microprocesadores consistirá en una presentación grupal con material de apoyo (presentación, láminas, etc.) y con actividades para que realice el resto de los alumnos del curso. Para promocionar la parte de Arquitectura del Procesador se requerirá la aprobación de un parcial o su recuperatorio con notas mayores o iguales a 7; y con notas menores a 7 pero superiores a 4 se obtendrá la condición de regular. En caso de promocionar Redes y Arquitectura del Procesador, se promediarán ambas notas para obtener la nota final de la asignatura.

5 CONDICIONES PARA LA APROBACIÓN FECHAS A TENER EN CUENTA: 1) 25/11 Fecha límite Presentación (envío en formato digital al mail de la asignatura) de Trabajo Especial sobre microprocesadores. 2) 25/11 Parcial: Circuitos combinacionales y Circuitos secuenciales. 3) 02/12 Recuperatorio y Exposición Trabajo Microprocesadores. CONSULTAS y DUDAS: articulacioncurricular2unca@gmail.com

6 Universidad Nacional de Catamarca Facultad de Ciencias Exactas y Naturales ARQUITECTURA DEL PROCESADOR Temas: Sistemas Digitales: Sistemas Combinatorios y Secuenciales, Autómatas. Circuitos Básicos. Clase 1: Introducción a los Circuitos Digitales Circuitos Combinacionales

7 COMPUTADORA

8 Dirección de una celda/ Dirección de puerto Dato/Instrucción Leer/Escribir

9 COMUNICACIÓN ENTRE LA CPU Y LA MEMORIA CPU lee una instrucción de la memoria De modo similar Cómo creen que hace la CPU para escribir un dato en la memoria? 163 Sum A,B Sum A,B INSTRUCCIONES LEER 163 D A T O S

10 Ya vimos qué hace la computadora, pero cómo definiríamos qué es, qué tipo de dispositivo es, cómo trabaja? La computadora es un dispositivo electrónico capaz de recibir y ejecutar órdenes y de recibir datos y procesarlos. Es en su esencia un sistema electrónico, por lo que vamos a comenzar definiendo qué es un sistema electrónico.

11 SISTEMAS ELECTRÓNICOS Los sistemas electrónicos procesan la información que les llega a sus entradas. En general, la información que llega a estas entradas proviene de magnitudes físicas del mundo real. Estas magnitudes pueden ser: temperatura, presión, longitud, velocidad, tensión, intensidad, etc. que tienen un carácter continuo o analógico. La utilización de alguna de estas magnitudes dependerá de la aplicación específica para la que esté diseñando el sistema electrónico. Estas magnitudes físicas de entrada deben llegar en forma de señal eléctrica. Por este motivo se suelen utilizar sensores que captan la magnitud física y la transforman en señal eléctrica para que pueda ser procesada en el sistema electrónico.

12 SISTEMAS ELECTRÓNICOS

13 APLICACIÓN DE UN SISTEMA ELECTRÓNICO

14 SISTEMAS ELECTRÓNICOS Según la naturaleza de la información que lleva la señal eléctrica, ésta puede clasificarse en: Señal analógica: el modelo matemático que la describe es una función continua, por tanto transporta una información analógica. Y puede tomar infinitos valores en el tiempo. Señal digital: el modelo matemático que la describe es una función que sólo puede tomar un conjunto finito de valores, por transportar una información digital. Así se pueden tener: Un sistema en el que todas sus señales son analógicas se denomina sistema analógico. Un sistema en el que todas sus señales son digitales se denomina sistema digital.

15 SISTEMAS DIGITALES La computadora digital es un sistema digital que ejecuta diversas tareas de computación. El término digital implica que la información en la computadora se representa por variables que toman un número limitado de valores discretos. Estos valores se procesan internamente por componentes que pueden mantener un número limitado de estados discretos. En la práctica, las computadoras digitales funcionan más confiablemente si sólo se usan dos estados. Por la restricción física de los componentes y porque nuestra lógica tiende a ser binaria, los componentes digitales que están restringidos a tomar valores discretos, se restringen aun más a tomar sólo dos valores y se dice que son binarios. Es decir, que la computadora opera únicamente con dos niveles de voltaje de interés: un voltaje alto y un voltaje bajo.

16 COMPUTADORAS DIGITALES El funcionamiento de las computadoras digitales se basa en la memorización y procesamiento de datos binarios. Normalmente, hablamos de memoria, y de circuitos que pueden operar con datos binarios bajo la acción de señales de control, para implementar distintas funciones. Veremos cómo se pueden implementar estos elementos de memoria y distintos circuitos en lógica digital, específicamente con circuitos combinacionales y secuenciales. Explicaremos el Álgebra de Boole, que es el fundamento matemático de la lógica digital. Desarrollaremos qué son las compuertas (llamadas puertas, en alguna bibliografía), y cómo se construyen con ellas los circuitos combinacionales y secuenciales.

17 ÁLGEBRA DE BOOLE La circuitería digital en computadoras digitales y otros sistemas digitales, se diseña y se analiza con el uso de una disciplina matemática denominada Álgebra de Boole (en honor a George Boole, matemático inglés del siglo XIX). En 1938, Claude Shannon, sugirió que podría usarse para resolver problemas de diseño de circuitos de conmutación. Las técnicas de Shannon se usaron consecuentemente, en el análisis y diseño de circuitos electrónicos digitales. El Álgebra de Boole es una herramienta útil en dos áreas: Análisis: permite describir el funcionamiento de los circuitos digitales Diseño: dada una función deseada, se puede desarrollar una implementación de complejidad simplificada de esta función.

18 ÁLGEBRA DE BOOLE En el Álgebra de Boole todas las variables tienen los valores 1 (Verdadero) o 0 (Falso), y en las formulaciones típicas, existen tres operadores: - el operador OR se escribe +, como en A + B. El resultado de un operador OR es 1 si alguna de las variables es 1. La operación OR se conoce también como suma lógica. - el operador AND se escribe, como en A B. El resultado de un operador AND es 1 sólo si ambas entradas son 1. La operación AND se conoce también como producto lógico. - El operador unario NOT, se escribe como en A' (o con una raya en la parte superior). El resultado del operador NOT es 1 sólo si la entrada es 0. La aplicación del operador NOT a un valor lógico resulta en una inversión o negación de dicho valor (si la entrada es 0 la salida es 1 y viceversa).

19 LEYES DEL ÁLGEBRA DE BOOLE Elemento neutro: A + 0 = A y A 1 = A Operaciones con cero y uno: A + 1 = 1 y A 0 = 0 Inverso: A + A' = 1 y A A' = 0 Conmutativa: A + B = B + A y A B = B A Asociativa: A + (B + C)= (A + B) + C y A (B C) = (A B) C Distributiva: A (B + C) = (A B) + (A C) y A + (B C) = (A + B) (A + C) Leyes de De Morgan: (A + B)' = A'. B' (A B)' = A' + B'

20 COMPUERTAS LÓGICAS El bloque fundamental de construcción de todos los circuitos lógicos digitales son las compuertas. Las funciones lógicas se implementan interconectando compuertas. Una compuerta es un circuito electrónico que produce como señal de salida una operación booleana sencilla de las señales de entrada. Cada compuerta se define de tres formas: símbolo gráfico, notación algebraica y tabla de verdad. Cada compuerta tiene una o dos entradas y una salida. Cuando los valores de entrada cambian, la señal de salida correcta aparece casi instantáneamente. Con las compuertas se alcanza el nivel más primitivo de la ciencia e ingeniería de computadoras. Combinaciones de transistores se usan para construir compuertas.

21 COMPUERTAS LÓGICAS

22 Compuerta NXOR NOT OR EXCLUSIVA Z = A'. B' + A. B = (A B)' Donde es el operador lógico que corresponde a la función XOR (OR EXCLUSIVA)

23 CIRCUITOS COMBINACIONALES Un circuito combinacional es un conjunto de compuertas interconectadas, cuya salida, en un momento dado, es función solamente de la entrada en ese instante. En general, un circuito combinacional consiste de n entradas binarias y m salidas binarias. Un circuito combinacional puede definirse de tres fomas: -Tabla de verdad: para cada una de las combinaciones posibles de las n señales de entradas, se enumera el valor binario de cada una de las m señales de salida. - Símbolo gráfico: describe la organización de las interconexiones entre las compuertas. - Ecuaciones booleanas: cada señal de salida se expresa como una función booleana de las señales de entrada.

24 IMPLEMENTACIÓN DE LAS FUNCIONES BOOLEANAS Consideremos la función booleana representada por la siguiente tabla de verdad: A B C F

25 IMPLEMENTACIÓN DE LAS FUNCIONES BOOLEANAS Podemos expresar esta función sencillamente, detallando las combinaciones de los valores de las entradas A, B y C, que hacen que F (la salida) valga 1: F = A'BC' + A'BC + ABC'

26 SIMPLIFICACIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES MEDIANTE LA MANIPULACIÓN DEL ÁLGEBRA BOOLEANA Consideremos el siguiente diagrama: La salida del circuito puede expresarse algebraicamente como sigue: F = ABC + ABC' + A'C

27 SIMPLIFICACIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES MEDIANTE LA MANIPULACIÓN DEL ÁLGEBRA BOOLEANA Cada término corresponde a una compuerta AND, y la compuerta OR forma la suma lógica de los tres términos. Se necesitan dos inversores para complementar A y C, y obtener A' y C'. La expresión puede simplificarse usando el álgebra booleana: F = ABC + ABC' + A'C = AB(C+C') + A'C = AB(1) + A'C = AB + A'C

28 SIMPLIFICACIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES MEDIANTE LA MANIPULACIÓN DEL ÁLGEBRA BOOLEANA Cada término corresponde a una compuerta AND, y la compuerta OR forma la suma lógica de los tres términos. Se necesitan dos inversores para complementar A y C, y obtener A' y C'. La expresión puede simplificarse usando el álgebra booleana: F = ABC + ABC' + A'C = AB(C+C') + A'C = AB(1) + A'C = AB + A'C

29 SIMPLIFICACIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES MEDIANTE LA MANIPULACIÓN DEL ÁLGEBRA BOOLEANA El diagrama lógico de la expresión simplificada requiere sólo cuatro compuertas en lugar de las seis del circuito original. Los dos circuitos son equivalentes y producen la misma relación de tabla de verdad entre las entradas A, B y C y la salida F F = AB + A'C (ANIMACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS DOS CIRCUITOS EQUIVALENTES)

30 CIRCUITO SEMISUMADOR El circuito aritmético digital más simple es el de la suma de 2 dígitos binarios. Un circuito combinatorio que ejecuta la suma de 2 bits se llama un semisumador. x y C S Cuál es la función lógica para la suma y el acarreo? Podemos deducirla de la tabla? Podemos deducirla del gráfico del circuito?

31 Función booleana para el circuito semisumador Recordemos que para expresar la función booleana como suma de productos, nos fijamos en los unos de la función. En este caso para encontrar la expresión para la función suma (S), tenemos: S = X'. Y + X. Y' = X Y Del mismo modo, nos fijamos en los unos de la función acarreo (C), entonces, resulta: C = X. Y El gráfico resulta:

32 CIRCUITO SUMADOR COMPLETO El sumador completo o total es un circuito combinatorio que forma la suma aritmética de tres bits de entrada. Consiste de tres entradas y dos salidas. Entradas Salidas x y z C S Deduzcan la expresión booleana para las Funciones C y S

33 SUMADOR COMPLETO S = X'Y'Z + X'YZ' + XY'Z' + XYZ S = X' (Y'Z + YZ') + X (Y'Z' + YZ) S = X' (Y Z) + X (Y Z)' S = X Y Z C = X'YZ + XY'Z + XYZ' + XYZ C = Z (X'Y + XY') + XY (Z' + Z) C = Z (X Y) + XY

34 EL DECODIFICADOR Las cantidades discretas de información se representan en las computadoras digitales con códigos binarios. Un código binario de n bits es capaz de representar hasta 2 n elementos distintos de información codificada. Un decodificador es un circuito combinatorio que convierte la información binaria de las n entradas codificadas a un máximo de 2 n salidas únicas. Si la información codificada en n bits tiene combinaciones de bits no usadas, el decodificador puede tener menos de 2 n salidas. Se llaman decodificadores de n a m líneas, donde m 2 n. Su propósito es generar 2 n (o menos) combinaciones binarias de las n variables de entrada. Un decodificador tiene n entradas y m salidas y también se lo denomina un decodificador de n x m.

35 Tabla de verdad y circuito para el decodificador 3 a 8 líneas

36 Decodificador Binario a Octal

37 ACTIVIDAD Considera una función lógica con tres entradas, A, B, C, y tres salidas, D, E y F. La función se define de la siguiente manera: D es verdadera si al menos una entrada es verdadera, E es verdadera si exactamente dos entradas son verdaderas y F es cierta sólo si las tres entradas son verdaderas. Cuál es la tabla de verdad de esta función? 2.- Deduce mediante suma de productos, la función de la siguiente tabla de verdad: Entradas Salida A B C D Dados los teoremas de De Morgan: (A+B) = A. B y (A.B) = A + B Demuestrálos mediante una tabla de verdad

38 ACTIVIDAD Comprueba las siguientes igualdades: A + A'.B = A + B y A.(A' + B) = A.B 5.- Simplifique las siguientes expresiones usando Álgebra Booleana: a) A + A.B b) A.B + A.B' c) A'.B.C + A.C d) A'.B + A.B.C' + A.B.C 6.- Liste la tabla de verdad de una función XOR de tres variables: X = A B C

39 BIBLIOGRAFÍA - Molina Marticorena, José Luis. Circuitos Integrados. Disponible en - Costantini, Sandro. Cátedra Arquitectura del Procesador. Universidad Metropolitana de Venezuela Patterson, David A. y Hennessy, John L. Estructura y diseño de computadores. La interfaz hardware / software. Ed. Reverte Mano, M. Morris. Arquitectura de Computadoras. Tercera Edición. Prentice-Hall Hispanoamericana Stallings. W. Organización y Arquitectura de Computadores. 5ª Edicion. Prentice Hall Cerúsico, Georgina Inés. Notas de Cátedra