PDF de programación - Arquitectura de un computador a gran escala

Instituto Universitario Politécnico

“Santiago Mariño”



Unidad Nº II – Arquitectura de un computador

a gran escala



Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

 Unidad Nº II – Arquitectura de un computador a gran escala



Objetivo de la unidad



Presentar los elementos de un computador y la manera como una arquitectura se

posiciona en ellos para explotarlos y hacer disponibles para el procesamiento de datos



Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Definición de arquitectura de computadoras

Es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de



computadora. Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las

implementaciones de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en

la forma en que la unidad central de proceso (CPU) trabaja internamente y accede a las

direcciones de memoria. También suele definirse como la forma de seleccionar e

interconectar componentes de hardware para crear computadoras según los requerimientos

de funcionalidad, rendimiento y costo.



Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Definición de arquitectura de computadoras

El ordenador recibe y envía la información a través de los periféricos por medio de



los canales. La CPU es la encargada de procesar la información que le llega al ordenador. El

intercambio de información se tiene que hacer con los periféricos y la CPU. Todas aquellas

unidades de un sistema exceptuando la UCP se denomina periférico, por lo que el ordenador

tiene dos partes bien diferenciadas, que son : la CPU (encargada de ejecutar programas y

que está compuesta por la memoria principal, la ALU y la UC) y los periféricos (que pueden

ser de entrada, salida, entrada-salida y comunicaciones).



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Arquitectura de Von Neumann

Hoy en día se tiene aceptado que el “corazón” de la computadora es el CPU, íntimamente



ligado a la memoria principal. Esto no siempre fue así.



La forma de organizar el funcionamiento de los ordenadores le llamamos Arquitectura de

Von Neumann, que la describió en los años 50 para el desarrollo del computador EDVAC



Los ordenadores con esta arquitectura constan de cinco partes: La unidad aritmético-lógica o

ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datos

que proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes.



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Arquitectura de Von Neumann

Un ordenador con esta arquitectura realiza o emula los siguientes pasos secuencialmente:



•

Enciende el ordenador y obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la

dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.

• Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la

siguiente.

• Decodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el

resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.



Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Arquitectura de Von Neumann

Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa,



permitiendo así operaciones repetitivas. El contador puede cambiar también cuando se

cumpla una cierta condición aritmética, haciendo que el ordenador pueda 'tomar

decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmética

y lógica anteriores.



•



Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Arquitectura de Von Neumann



Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Unidad aritmetica y lógica

(ALU, Arithmetic and logical unit)



Se encarga de realizar las operaciones aritméticas (sumas, restas, multiplicaciones,

etc..) y lógicas (AND, OR, rotaciones, desplazamientos, etc...) con los datos. Normalmente los

datos con los que opera, así como los resultados de la operación se encuentran en registros

de la CPU.



Las operaciones que es capaz de realizar están definidas por el juego de

instrucciones de la CPU. Es posible encontrar ALUs con capacidades orientadas hacia la

operación con valores enteros, coma flotante o números imaginarios (por ejemplo en las

DSP.)



Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Banco de Registros

Proporciona un espacio de almacenamiento para los datos con los que trabaja la



CPU. Los registros se deben cargar con información que proviene de la memoria principal

antes de comenzar a operar, cuando se necesita dejar espacio libre en el banco de registros

para operar con nuevos datos su valor debe escribirse en la memoria principal.



Operar con datos en el banco de registros es mucho más rápido que operar con

datos que se encuentran en la memoria principal, por eso, cuanto mayor sea el banco de

registros se requerirán menos trasvases con la memoria principal y la tarea se realizará

antes.

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Banco de Registros

Es posible que no todos

los registros tengan



las mismas características.



Normalmente se distingue entre:

•Registros de datos: Guardan la información con la que se trabaja.

•Registros de direcciones: Guardan direcciones de memoria (en las que puede haber

datos).

•Registros de control: Controlan el estado de la CPU (flags: zero, overflow, underflow,

positivo/negativo...)

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Unidad de Control

Se encarga de leer las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal



y de generar las señales de control necesarias para controlar y coordinar el resto de las

unidades funcionales de un ordenador, con el fin de ejecutar las instrucciones leídas.

Partes fundamentales:

•Contador de programa: Registro que apunta a la dirección de memoria de la próxima

instrucción a ejecutar. Se incrementa automáticamente después de ejecutar cada

instrucción.

•Registro de instrucción: Guarda la instrucción que se está ejecutando.

•Decodificador: Interpreta la instrucción a ejecutar.

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Unidad de Control

•Reloj: Genera una señal de sincronía.



•Secuenciador: Activa en el orden adecuado las diferentes unidades funcionales para

ejecutar la instrucción.



Los dos tipos más frecuentes de unidades de control son:

•Cableada: La lógica de las operaciones está implementada mediante hardware.

•Microprogramada: Se trata de una pequeña CPU en miniatura que puede programarse

para realizar diferentes tareas. Son más flexibles pero más lentas.

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Buses

Transportan la información entre los diferentes elementos de la CPU. Se distingue



entre el bus de datos (que transporta la información que se está procesando) y el bus de

control (que proporciona toda la señalización necesaria para realizar el trabajo de forma

ordenada).

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Memoria Principal

La memoria principal tiene por objeto guardar información que es accesible a la



CPU. La CPU puede leer y/o escribir datos en las diferentes posiciones de memoria que

componen la memoria principal.

La memoria principal tiene menor capacidad que la memoria secundaria (que virtualmente

es ilimitada), pero es mucho más rápida. Actualmente la memoria principal se implementa

mediante circuitos integrados. La memoria principal de los sistemas informáticos suele estar

formada por dos áreas diferenciadas:

Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Memoria Principal

Memoria RAM (Random Access Memory): Memoria de acceso aleatorio (no tiene porqué ser



utilizada de manera secuencial) que permite tanto

la

lectura como

la escritura.

Habitualmente en los sistemas informáticos se trata de un medio de almacenamiento volátil,

de manera que se pierde su contenido al cesar la alimentación.



Memoria ROM (Read Only Memory): Memoria de acceso aleatorio que sólo permite la

lectura de los datos que almacena. Se trata de un medio de almacenamiento persistente,

pues no pierde su contenido cuando cesa la alimentación.

Elaborado por: Ing. Víctor Valencia.

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Entrada/Salida (E/S, I/O)

En la medida en la que el sistema informático precisa comunicarse con el mundo



exterior (utilizando diferentes periféricos), es necesario un elemento que controle el flujo de

información que entra y/o sale del sistema informático.



Los periféricos del sistema informático se pueden clasificar en:

•Periféricos de