PDF de programación - Tema 1 Introducción a los Computadores

Introducción a los Computadores

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Prof. Maurizio Mattesini

UC M

1. Introducción
2. Niveles de descripción de un computador
3. Modelo Von Neumann
4. Representación binaria
5. Ejemplo arquitectura Von Neumann

UC M

1. Introducción

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¿Qué es un computador?
[Carl Hamacher 96, Prof. de arquitectura del computador (Toronto)]:
”Un computador es una máquina de cálculo electrónica de alta
velocidad que acepta información digitalizada, la procesa atendiendo
a una lista de instrucciones que almacena internamente, y produce la
correspondiente información de salida.”
•  Funciones de un computador
–  Procesamiento de datos
–  Almacenamiento de datos
–  Transferencias de datos entre el computador y el

exterior

–  Control de las anteriores operaciones


•  La excesiva generalidad de estas funciones se debe a que la
especialización funcional de un computador ocurre cuando se
programa y no cuando se diseña.

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1. Introducción

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El computador NO es una máquina que razone de forma semejante al ser humano.

R2-D2 no existe

R2-D2 es un personaje de ficción

la Guerra de las Galaxias (1977)

de

y el

Roger Penrose: “debe haber
algo de naturaleza no
computable en las leyes físicas
que describen la actividad
mental. La

son dos entidades separables”

Penrose sugiere:“ ninguna
máquina de computación podrá
ser inteligente como un ser
humano, ya que los sistemas
formales algorítmicos; o sea,
los sistemas de instrucciones
secuenciadas sobre los cuales
están construidas las
computadoras; nunca les
otorgarán la capacidad de
comprender y encontrar
verdades que
los seres humanos poseen”

Roger Penrose

(físico-matemático Ingles)

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1. Introducción

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La estructura básica de una computadora incluye: microprocesador (CPU),
memoria y dispositivos de entrada/salida (E/S), junto a los buses que
permiten la comunicación entre ellos.

La computadora es una dualidad entre hardware (parte física) y software
(parte lógica), que interactúan entre sí para una determinada función.


DATOS: elementos sobre los que actúan las instrucciones del programa
INSTRUCCIONES: indican al computador qué es lo que tienen que hacer con
los datos

INSTRUCCIONES + DATOS EN LA MEMORIA. EL PROCESADOR RECOGE
Y EJECUTA LAS INSTRUCCIONES

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1. Introducción

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Placa Base


La " placa base ": Elemento principal de todo ordenador, en el que se encuentran o al que se conectan todos los demás
aparatos y dispositivos. Está formada por un circuito impreso que se asienta sobre múltiples capas de cobre aisladas
entre sí mediante resina. Sobre las láminas de cobre se graban fotoquímicamente los circuitos. A estos circuitos se
conectan los diversos elementos que constituyen su configuración. Las empresas que fabrican placas base siguen unas
pautas generales para la ubicación de los conectores, zócalos de la CPU, los puertos, las conexiones del ventilados de la
CPU, a estas pautas estándar se le denominan factores de forma. El factor de forma ATX (Advanced Technology
Extended, para IBM y sus clones)/BTX domina el mercado actual de los PC.

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UC M


Supercomputadora o Superordenador


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Computadora con capacidades de cálculo muy superiores a las comúnmente
disponibles de las máquinas de escritorio de la misma época en que fue
construida.
(FLoating-point Operations Per Second; tera-FLOPS 1012èexa-FLOPS 1018 )

4 importantes tecnologías:•La tecnología de registros vectoriales, creada por
Seymour Cray, considerado el padre de la Supercomputación. Esta tecnología
permite la ejecución de innumerables operaciones aritméticas en paralelo.
•El sistema conocido como M.P.P. por las siglas de Massively Parallel Processors
o Procesadores Masivamente Paralelos, que consiste en la utilización de cientos
y a veces miles de microprocesadores estrechamente coordinados.
•La tecnología de computación distribuida: los clusters de computadoras de uso
general y relativo bajo costo, interconectados (a través del sistema M.P.I.,
Message Passing Interface) por redes locales de baja latencia y el gran ancho
de banda. •Cuasi-Supercómputo: Recientemente, con la popularización de la
Internet, han surgido proyectos de computación distribuida en los que
softwares especiales aprovechan el tiempo ocioso de miles de ordenadores
personales para realizar grandes tareas por un bajo costo. A diferencia de las
tres últimas categorías, el software que corre en estas plataformas debe ser
capaz de dividir las tareas en bloques de cálculo independientes que no se
ensamblaran ni comunicarán por varias horas. En esta categoría destacan
BOINC y Folding@home.


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2. Niveles de descripción de un computador

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Aplicación

Lenguaje de alto nivel

Sistema Operativo /

Compilador

Arquitectura del

Computador

Organización

Hardware del sistema

Circuito Digital

Físico

Ofimática (MS-Office, Contaplus, D-Base)
Comunicaciones (Firefox, Explorer, Mail, Chat,
Twitter, Facebook, etc..)
Diseño (AutoCAD, ...), Multimedia, Juegos,
MATLAB/OCTAVE, EXCEL, etc,.

FOR, WHILE, REPEAT, PROCEDURE, ...
PYTHON, PASCAL, FORTRAN, C, JAVA, PERL,
BASIC, MODULA, C++, JAVA, MATLAB/OCTAVE,...

Gestión de memoria Compilación
Gestión de procesos Enlazado
Gestión de ficheros Ubicación

Registros

R0

•  •  • 

R7

Registro Estado

Contador Programa

Loop move #$10, R0
load R1(dir1), R2
add R2, R0
sub #1, R1
mult Loop

CPU

Mem.

Bus

E/S

Un lenguaje de alto nivel se caracteriza por expresar el algoritmo de una manera adecuada a la
capacidad cognitiva humana, en lugar de la capacidad ejecutora de las máquinas.

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3. Modelo Von Neumann

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John Von Neumann (1903–1957)

(Matemático húngaro)

Arquitectura Von Neumann: arquitecturas de computadoras que utilizan
el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como
para los datos.

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3. Modelo Von Neumann

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Esquema

Unidad de Control (UC)

C
P
U

Cont. Prog. (PC)
Reg. Estado (SR)

Unidad
Aritmético
Lógica
(ALU)

Reg. Instr. (IR)
Reg. Dir. Mem. (MAR)
Reg. Dat. Mem. (MDR)

R0

•  •  • 

R7

Registros

Bus Datos
Bus Direcc.
Bus Control

MEMORIA

E/S

Módulos básicos
CPU (Unidad Central de Proceso)

–  Realiza la ejecución de las instrucciones

Unidad de Memoria

–  Almacena las instrucciones y los datos

Unidad de E/S

–  Transfiere información entre el

computador y los dispositivos periféricos

Elementos de interconexión: BUSES (canales)
Bus de datos

–  Para transferencia de datos entre la

CPU y memoria o E/S

Bus de direcciones

–  Para especificar la dirección de

memoria o la dirección del registro de
E/S

Bus de control

–  Señales de control de la transferencia

(reloj, lectura/escritura, etc.)

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3. Modelo Von Neumann

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Características principales del modelo Von Neumann

• 

Su funcionamiento se basa en el concepto de programa almacenado en memoria. La memoria
principal almacena
–  Instrucciones: programa que controla el funcionamiento del computador
–  Datos: datos que procesa y genera dicho programa
Las palabras en memoria siguen una organización lineal
–  Todas las palabras de memoria tienen el mismo tamaño
–  No hay distinción explícita entre instrucciones y datos
La ejecución de las instrucciones es secuencial
–  El secuenciamiento de las instrucciones es implícito, y viene determinado por el orden en que

han sido almacenadas en la memoria. Este secuenciamiento sólo puede ser modificado por
instrucciones específicas de salto

–  El contador de programa (PC) indica en cada instante cual es la siguiente instrucción a

• 

• 

• 

Las fases que se distinguen en la ejecución de una instrucción son
–  Búsqueda de la instrucción en memoria (Fetch) y cálculo de la direcc. de instrucción

ejecutar

siguiente

–  Descodificación de la instrucción por parte de la CPU
–  Búsqueda de los operandos de la instrucción
–  Ejecución de la instrucción
–  Escritura del resultado

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3. Modelo Von Neumann (La CPU)

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Unidad de proceso o ruta de datos (data-path)
•  Unidad Aritmético-Lógica (ALU)

–  Realiza las operaciones aritméticas y lógicas (NOT, AND, OR…) que

indican las instrucciones del programa

•  Banco de Registros

–  Conjunto de registros visibles al usuario
–  Almacena los datos y los resultados con los que trabaja la ALU

–  Contador de programa, registro de estado, dirección del dato en

•  Registros especiales

memoria, etc.
•  Buses internos

–  Caminos de interconexión entre los elementos anteriores

Unidad de control o ruta de control (control-path)
•  Genera las señales necesarias para que la unidad de proceso ejecute

las instrucciones de forma adecuada

•  Es un sistema secuencial. Su complejidad depende de

–  La complejidad de la unidad de proceso y del número y tipo de

instrucciones a ejecutar

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3. Modelo Von Neumann (La Unidad Aritmética Lógica, ALU)

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•  Realiza las operaciones aritméticas y lógicas

que indican las instrucciones del programa
–  Aritméticas
•  Enteras
•  Reales -> Punto Flotante

–  Lógica binaria

•  Comparación
•  Álgebra de Boole (AND,OR, etc)

•  La velocidad de cálculo se mide con “Benchmark”
–  MIPS: millones de instrucciones por segundo
–  MFLOPS: millones de instrucciones en punto
flotante por segundo (Floating point operations per second)

•  Con el 80386 aparece el coprocesador matemático 8087

www.specbench.org


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3. Modelo Von Neumann (La memoria)

•  La unidad elemental de información digital es el bit (0,1)
•  La capacidad de almacenamiento se mide

en Bytes (1 byte à 8 bits u octecto) o múltiplos de Bytes.
–  1 Byte
–  1 KB
–  1 MB
–  1 GB
–  1 TB

= 8 bits (octecto)
= 210 B= 1024 B
= 220 B= 1024 KB=1048576