PDF de programación - Arquitectura de un Computador

Arquitectura de un computador

Servidores de Información Multimedia

2º Ingeniero de Telecomunicación (Esp. Sonido e Imagen)

Departamento de Ingeniería Telemática

Universidad Carlos III de Madrid

Índice de este tema

2

• Introducción
• Historia de los ordenadores
• Introducción a las arquitecturas HW de un ordenador: la máquina de Von

Neumann

• Arquitecturas HW modernas

Servidores de información multimedia

3

Introducción al tema

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4 ¿Qué es un ordenador o computador?

• Según la RAE:

– Máquina electrónica, analógica o digital, dotada de una memoria de
gran capacidad y de métodos de tratamiento de información, capaz
de resolver problemas matemáticos y lógicos mediante la utilización
automática de programas informáticos.

• Según Stallings

– Máquina digital electrónicaprogramable para el tratamiento automático
de la información, capaz de recibirla, operar sobre ella mediante procesos
determinados y suministrar los resultados de tales operaciones.

– Computer Organization and Architecture: Designing for Performance

• William Stallings
• ISBN: 0-13-185644-8

Publisher: Prentice Hall

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5 Estructura (HW) a vista de pájaro

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6 Conceptos

• Un computador digital es una máquina que puede resolver problemas

ejecutando ciertas instrucciones.

• Un programa es una secuencia de instrucciones.
• Los circuitos electrónicos de cada computadora reconocen un conjunto

limitado de instrucciones muy simples.

• Lenguaje máquina es el conjunto de instrucciones básicas de una

computadora.

• Utilizar lenguaje máquina es difícil y tedioso.
• Solución:

• sea L1 el lenguaje máquina
• y L2 un lenguaje más fácil de utilizar

programa en L2

compilación (compilador)

interpretación (intérprete)

programa en L1

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7 HW y SW

APLICACIONES

SISTEMA OPERATIVO

HW: CPU, RAM, I/O …

APLICACIONES

S.O. (ii)

S.O. (i)

HW: CPU, RAM, I/O …

• (i) – Gestión de tareas, gestión de memoria, drivers de dispositivos de

I/O…

• (ii) – Sistema de ficheros, interpretes de comandos, interfaces de usuario,

APIs de programación…

•  En este tema nos centraremos en el HW. En el resto de la asignatura

veremos el SW

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Historia

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9 Historia

• Algunas generaciones y sus tecnologías:

– hasta 1945: Sistemas mecánicos y electro-mecánicos
– 1945 – 1955: Tubos al vacío, tableros
– 1955 – 1965: Transistores y sistemas por lotes
– 1965 – 1980: Circuitos integrados y multiprogramación
– desde 1980: Computadores personales

Difference Engine (1822)

ENIAC (1946)

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10 IBM 704 (1955)

• Primera máquina comercial con hardware de punto flotante

(5kFLOPS).

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11 Los compiladores

• Permiten escribir programas en lenguaje de alto nivel y traducir estos a las

operaciones que es capaz de hacer el procesador de una determinada
máquina.

• Primer compilador: FORTRAN (1957)

– Primer compilador FORTRAN para IBM 704 (Formula Translator)

– Invención del mouse (1964).

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12 Llega Intel

• Fundación 1968

• Laboratorios Bell desarrolla el lenguaje C (1972) -> para escribir UNIX

#include
main()
{

for(;;)
printf("Hello world..."\n);

}

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13 Primer microprocesador en un chip

• Intel 4004 (1971)

14 Llega el primer Apple

• Apple I (1976)

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15 … y también nace Microsoft

• 1978

16 Y también le toca el turno al PC

• Nace en 1981

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17 Y poco a poco van llegando los sistemas multimedia

• En 1984 nace el CD (por Sony)

• Y las interfaces gráficas:

18 Y las interfaces gráficas:

• X Windows para UNIX (1984)

• También para Windows… aunque un poco más tarde

Macintosh (1984)

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19

Introducción a las arquitecturas HW de un ordenador: la máquina
de Von Neumann

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20 La máquina de von Neumann

• El modelo básico de arquitectura de un ordenador fue establecido en 1945

por Von Neumann (PennsylvaniaUniversity).

• “…Puesto que el dispositivo final ha de ser una máquina computadora de

propósito general, deberá contener ciertos órganos fundamentales
relacionados con la aritmética, la memoria de almacenamiento, el control y
la comunicación con el operador humano…”.

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21 La máquina de von Neumann

• Memoria principal: es una unidad dividida en celdas, que se

identifican mediante una dirección. Todas las celdas son del
mismo tamaño y se emplean para almacenar datos e
instrucciones.

• Unidad aritmético-lógica: permite realizar una serie de
operaciones elementales, tales como suma resta, AND, OR,
etc.

• Unidad de control: se encarga de leer, una tras otra las

instrucciones de máquina, y de generar las señales de control
necesarias para que el computador funcione.

• Equipos de E/S: realiza las transferencias de información

con las unidades exteriores denominadas periféricos.

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22 Programa almacenado y propósito general

• “…Lamáquina debe ser capaz de almacenar no solamente la

información digital necesaria en una determinada computación
[…] sino también las instrucciones que gobiernen la rutina a
realizar sobre los datos numéricos. […] Para que la máquina
sea de propósito general, debe ser posible instruirla de modo
que pueda llevar a cabo cualquier computación formulada en
términos numéricos. Por tanto, debe existir algún órgano
capaz de almacenar esas órdenes de programa…”.

• Actualmente se habla de instrucciones.
• El conjunto de instrucciones diferentes que puede ejecutar un

ordenador se llama juego o repertorio de instrucciones.

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23 Instrucciones

• El computador es capaz de ejecutar una serie de instrucciones

simples, tales como sumas, restas, movimientos de
información, etc.

• Las instrucciones no se ejecutan de golpe, ya que al ser los

computadores dispositivos digitales, llevan asociado un “reloj”
que les marca el paso.

• Por lo general, una instrucción es una orden de procesamiento
de información, por lo que su ejecución obliga a cumplir unos
requisitos previos.

• En cualquier caso, los dos puntos anteriores obligan a realizar

una temporización de la ejecución.

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24 Memoria

• En el subsistema de memoria se almacenan tanto las instrucciones que

forman un programa como los datos (arquitectura Princeton)

• La memoria ha de ser de acceso directo, también llamado acceso aleatorio.
• El elemento mínimo de almacenamiento es el bit.
• Un punto de memoria es un mecanismo físico capaz de almacenar un bit.
• En la MP (Memoria Principal), estos puntos de memoria se agrupan en

posiciones, en cada una de las cuales se aloja un conjunto de bits o
palabra.

• En cada acceso (de escritura o lectura) se introduce o se extrae una

palabra completa (n bits)

• Cada una de las posiciones viene identificada por una dirección.
• El número de posiciones (esto es, palabras) que una memoria puede

almacenar es su capacidad.

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25 Memoria (II)

• Operaciones de lectura y escritura:

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Memoria (III)

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• Datos a almacenar en memoria

– Direcciones o «punteros» y enteros sin signo:

• d bits para 2d direcciones

– Números enteros (con signo):

• binario (o decimal, BCD)
• n bits para una extensión de -2n-1 a 2n-1 -1 (formatos de coma fija)

– Números reales:

• formatos de coma flotante
• n bits que determinan la extensión y la precisión

– Caracteres:

• ASCII, o ISO Latin1 (8 bits) o Unicode (uno o varios bytes)

• Nota: solo los dos primeros tienen sentido en la máquina de Von Neumann

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27 Unidad aritmética y lógica

• “…Puesto que el dispositivo va a ser una máquina computadora, ha de

contener un órgano aritmético que pueda realizar ciertas operaciones
aritméticas elementales. Por tanto, habrauna unidad capaz de sumar,
restar, multiplicar y dividir…”.

• La UAL incluye también las operaciones de tipo lógico.
• Disyuntiva hardware/software:

– muchas funciones pueden realizarse indistintamente de manera cableada

(por hardware) o de manera programada (por software)

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28 Unidad de control

• “…Si la memoria para órdenes es simplemente un órgano de

almacenamiento, tiene que haber otro órgano que pueda ejecutar
automáticamente las órdenes almacenadas en la memoria. A este órgano
le llamaremos el control…”.

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29 Unidad de control (II)

• “…Tiene que ser posible extraer números de cualquier parte de la

memoria en cualquier momento. Sin embargo, en el caso de las órdenes,
el tratamiento puede ser más metódico, puesto que las instrucciones de
control se pueden poner, por lo menos parcialmente, en secuencial lineal.
En consecuencia, el control se construiráde forma que normalmente
proceda de la posición n memoria a la posición (n+1) para su siguiente
instrucción…”.

• Otro aspecto: la modificación de instrucciones.

– Originalmente empleada para recorrer zonas de memoria.
– Ya no se emplea.

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30 Unidades de entrada y salida

• “…Por último, tiene que haber dispositivos, que constituyen el

órgano de entrada y de salida, mediante los cuales el
operador y la máquina puedan comunicarse entre sí”.

• Las unidades de entrada y salida, o dispositivos periféricos,

pueden ser muchas y variadas.

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31 Formato de instrucciones

• Representación de datos: en binario, con 40 bits.

• Repertorio de i