PDF de programación - Tema 1: Introducción a la estructura de computadores

Estructura de Computadores, Facultad de Informática, UCM, Curso 11-12



MODULO I: INTRODUCCION

Tema 1: Introducción a la estructura de computadores

Objetivos:
 Describir el contenido general de la asignatura y situarlo en el conjunto de materias que

abordan el estudio de un computador digital.

 Conocer las características fundamentales del funcionamiento de un computador con
arquitectura von Neumann y analizar las principales mejoras añadidas a dicha
arquitectura: interrupciones, memoria caché y memoria virtual.

 Diferenciar la tecnología, la estructura y la arquitectura de un computador, y hacer un



recorrido general sobre las mejoras de rendimiento basadas en el paralelismo.
Introducir los lenguajes de descripción hardware como instrumentos de especificación y
simulación.


Contenido:

1. Objetivos de la asignatura

2. Niveles de descripción de un computador

3. Estructura básica de un computador convencional

4. Evolución histórica: tecnología, estructura y arquitectura

5. Lenguajes de descripción hardware

1. Objetivos de la asignatura

La arquitectura de un computador está constituida por el conjunto de funcionalidades
disponibles para un programador que utiliza el lenguaje máquina, básicamente, el repertorio de
instrucciones y los elementos de memoria referenciados desde él, es decir, los registros generales y
la memoria principal. Las funcionalidades de una arquitectura se pueden conseguir con diferentes
organizaciones internas o estructuras, diferenciándose unas de otras fundamentalmente en los
parámetros de rendimiento y el coste. Finalmente, la estructura de un computador se puede
implementar con diferentes tecnologías, siendo nuevamente el coste y el rendimiento los elementos
diferenciales. Arquitectura, estructura y tecnología constituyen, pues, tres niveles de estudio del
hardware de un computador.

En esta asignatura abordaremos el estudio de la organización o estructura interna de un
computador. Para ello la materia la dividiremos en cuatro módulos. En el primero realizaremos
una introducción general a la estructura de computadores. En el segundo estudiaremos la
arquitectura del repertorio de instrucciones (ISA), arquitectura que define la interfaz hardware-
software de la máquina. En el tercero veremos toda la jerarquía de memoria de una máquina y su
gestión. Finalmente, en el cuarto estudiaremos las unidades de entrada/salida, los periféricos y los



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buses de comunicación. El estudio de la unidad aritmético-lógica y la unidad de control se aborda
en la asignatura Ampliación de Estructura de Computadores.

Para situar con mayor precisión el objeto de estudio de esta asignatura analizaremos en el
apartado siguiente los diferentes niveles de descripción que se suelen contemplar en el estudio de
un computador digital.
2. Niveles de descripción de un computador

La estrategia que habitualmente se utiliza para abordar el estudio de los sistemas
complejos consiste en especificarlos a diferentes niveles de abstracción. Cada nivel se caracteriza
por:

A) Unos elementos de entrada, es decir, disponibles para el diseño en este nivel, y que

proceden del nivel inmediato inferior.

B) Unos elementos de salida, es decir, objetivos del diseño en este nivel, y destinados al nivel

inmediato superior.

C) Una metodología de análisis y síntesis de los elementos de salida en términos de los de

entrada.

Con esta estrategia, la complejidad del sistema queda dividida, acotada y organizada en las
complejidades parciales de cada nivel, dentro de cuyos límites se puede aplicar una metodología
propia de estudio.

Al computador digital como sistema artificial complejo se le ha aplicado esta estrategia. En
nuestro caso consideraremos los siguientes niveles de abstracción dentro del estudio de un
computador digital:



APLICACIONES

ALGORITMOS

LENGUAJES DE ALTO NIVEL

SOFTWARE BASICO (S.O.)

ARQUITECTURA

TRANFERENCI DE REGISTROS

LOGICO

ELECTRONICO

FISICO



Estructura de
Computadores



Cada nivel se corresponde con la visión que tiene del sistema un tipo determinado de
usuario, y en cada uno podemos considerar dos procesos de estudio diferentes, el análisis y la
síntesis. El análisis parte de la implementación del sistema a un cierto nivel en términos de
elementos básicos del nivel inferior, y llega a determinar la función del mismo, es decir, su



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especificación. El sentido de la síntesis es el opuesto, parte de la especificación de un sistema y
obtiene su implementación en función de los elementos básicos del nivel inferior. En la siguiente
figura hemos representado gráficamente esta relación:



ESPECIFICACION

Análisis

Síntesis

Ejemplo:

a

b



Sumador

a+b

arrastre

Síntesis

a b a+b arrastre
0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1

Especificación

Análisis

IMPLEMENTACION



a



b

a+b



arrastre

Implementación



Comentaremos en los sub-apartados siguientes cada uno de estos niveles.
2.1. Nivel Físico
En el nivel físico se manipulan como elementos de entrada las formas geométricas que se
corresponden con las máscaras de difusión utilizadas en el proceso de fabricación de los circuitos
integrados del computador. Determinadas disposiciones de estas formas representan dispositivos
electrónicos concretos, tales como transistores, resistencias, etc., que son los elementos de salida
del nivel físico. En este nivel se suele utilizar como herramienta de estudio software de
manipulación gráfica con restricciones.

DD

IN
VSS

OUT

Físico (silicio)



2.2. Nivel Electrónico
En este nivel los elementos de salida, es decir, los biestables y las puertas lógicas, se obtiene
a partir de dispositivos electrónicos (resistencias, transistores, etc.) conectados según una
determinada topología. Como metodología de estudio (análisis y síntesis) en este nivel se utilizan



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técnicas cuantitativas de análisis en el plano eléctrico-temporal, fundamentalmente ecuaciones
algebraicas y diferenciales.

VD
D

IN

OUT

VSS
Circuito eléctrico



2.3. Nivel Lógico
Los elementos de entrada a este nivel son los biestables y las puertas lógicas, y los de salida
son módulos combinacionales y secuenciales tales como multiplexores, codificadores, sumadores,
registros, contadores, etc. Este nivel de estudio dispone de sus propias técnicas de análisis y
síntesis. El comportamiento de un circuito combinacional se representa con una función lógica que
admite una expresión algebraica manipulable simbólicamente dentro de un formalismo
matemático: el álgebra de conmutación (un álgebra de Boole). Para los circuitos secuenciales se
utiliza la teoría de las máquinas de estados finitos.

S

R

Q

NQ

S

R

Q

NQ

Circuito lógico



2.4. Transferencia de Registros (RT)
Los elementos de entrada al nivel RT son registros, módulos combinacionales y elementos de
interconexión (buses y/o multiplexores). Los primeros mantienen el estado del sistema, los
segundos definen las transformaciones elementales del estado, y los terceros permiten el
intercambio de información entre los dos primeros. Los elementos de salida son el conjunto de
transferencias elementales posibles en la ruta de datos construida con los tres tipos de elementos
de entrada. Al contrario de lo que ocurría en los dos niveles anteriores, el nivel RT no dispone de
una herramienta propia de análisis y síntesis, aunque sí es posible utilizar los modernos lenguajes
de descripción hardware (por ejemplo VHDL) como instrumentos de expresión precisa y estándar a
este nivel.

bus

bus



SECUENCIADOR

RMIC

RMICAUX

RI

MAR



ROM
DE

CONTROL

Transferencia de registros



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2.5. Arquitectura (lenguaje máquina)
Este es el nivel que separa el hardware del software. Los elementos básicos de entrada son
las transferencias y transformaciones posibles de información en la ruta de datos de un
computador. Con ellos se construyen las instrucciones máquina y su método de secuenciamiento, es
decir, lo que se denomina un lenguaje máquina. Lo más significativo de este nivel es que con él
comienzan los niveles propiamente simbólicos, es decir, niveles cuyos componentes básicos no son
objetos físicos, sino símbolos relacionados por un lenguaje, el instrumento por excelencia del
conocimiento simbólico.

El nivel de lenguaje máquina suele ser el primer nivel al que tiene acceso el usuario de un
computador, salvo si la máquina es microprogramable, en cuyo caso dispone de un nivel intermedio
que permite modificar el repertorio de instrucciones. Normalmente, el usuario no utiliza
directamente el lenguaje máquina, sino una representación simbólica del mismo conocida como
lenguaje ensamblador, que ofrece algunas prestaciones más que el puro lenguaje máquina, como el
uso de macros y la definición simbólica de constantes y posiciones de memoria.

Este nivel queda definido por 1) el repertorio de instrucciones, con sus formatos, tipos de
direccionamiento, modos de secuenciamiento y representación de datos, y 2)