PDF de programación - Introducción a la arquitectura del PC

Introducción a la
arquitectura del PC

Informática Básica
Curso 2010/2011

Arquitectura Von Neumann

● Computador de programa almacenado (stored-program

computer)

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Tipos de ordenadores

● Ordenadores de bolsillo

● Terminales

● Ordenadores portátiles

● Ordenadores personales

● Estaciones de trabajo

● Servidores

● Mainframes

● Superordenadores

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El PC y los computadores

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El primer PC

● Microprocesador Intel 8088 a 4.77 MHz

● Bus ISA de 8 bits

● 16 KB o 64 KB de memoria RAM preinstalada

● Una o dos disqueteras de 160 KB

● Tarjeta de vídeo:

– MDA: texto 80x25 - 4KB
– CGA: gráfico hasta 640x200 - 16KB

● 0.3 MIPS

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Un PC actual

● Microprocesador Intel Core 2 Quad

● Buses PCI y PCI Express

● 4 GB de memoria RAM

● Discos duros de 750GB – 1 TB

● Tarjeta de vídeo:

– nVIDIA GeForce 8800 con 768 MB

● 57063 MIPS a 3.33 GHz

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Unidades funcionales básicas

● Arquitectura básica de un PC

Processor

Interrupts

Cache

Main
memory

Memory– I/O bus

I/O

controller

Disk

Disk

I/O

controller

Graphics
output

I/O

controller

Network

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Unidades funcionales básicas

Conectores externos: suministrar
energía eléctrica y permitir la
conexión de los periféricos
(presentan diferentes geometrías).

Se retira la cubierta de la caja

Unidades ópticas
(CDROM, DVDROM...),
Disquetera,
discos duros...

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La unidad central
de Proceso (CPU)
y su disipador

Ranuras de expansión de los
buses ISA, PCI, AGP, PCI-Express...

La caja

● Encierra/contiene los principales componentes de un

computador

● Materiales típicos: acero, aluminio, madera, plásticos y

derivados

● Distintas formas y formatos

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Conectores básicos de E/S

● Formato estandarizado para facilitar el diseño de las

placas

● Código de colores para facilitar la conexión

Ratón
Teclado

Paralelo

LAN

USB

Serie

VGA

USB

Entrada
Salida
Micro
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La fuente de alimentación

● Su función es convertir la corriente

alterna de la red en corriente continua
● Dentro del PC son necesarios distintos

voltajes (3.3, 5, 12 voltios)

● Típicamente ofrecen desde 200 W las

más sencillas hasta 700 o 1000 W

● (Casi siempre) Incluyen un ventilador
● Los voltajes y conectores dependen del

tipo de placa madre (form factor)

ATX

BTX

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La placa base (motherboard o placa madre)

● Proporciona la conectividad eléctrica y lógica

necesaria para la comunicación de los componentes
del sistema:
– Da soporte a microprocesador, memoria, buses, varios

chips controladores, etc.

– A ella se conectan las tarjetas de expansión,

dispositivos de almacenamiento y diversos periféricos

● Están hechas de material plástico, surcado por pistas

de metal que transmiten las señales eléctricas.

● Los chips y otros componentes están conectados

mediante soldaduras o montados en zócalos

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La placa base

● Una placa de calidad es una parte importante del

rendimiento de un equipo

● Puede limitar además las posibilidades de
expansión (ranuras, zócalos de memoria...)

● Es cada vez más habitual integrar otros componentes

o periféricos en la propia placa:
– Chips gráficos, sonido, módem, Ethernet, RAID, ...

● Gran parte de sus prestaciones dependerán del

“chipset” que incorporen
– Northbridge/Southbridge

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La placa base (form factor)

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La placa base (ejemplo: ASRock K7VT4A

Pro)

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Procesador

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Disipación de calor

● En principio, el propio encapsulado

del chip disipa el calor que se
produce

● En poco tiempo fue necesario

introducir radiadores (disipadores
pasivos, heatsinks)

● Los disipadores pronto fueron

insuficientes. Fue necesario utilizar
ventiladores

● Otros sistemas de refrigeración
más agresivos: agua, nitrógeno
líquido, etc.

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Moore's Law y la era Multicore

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Conexión microprocesador - placa

● Formato PGA socket

(pin grid array)
– contactos (pins)

expuestos

– inserción con fuerza

cero (ZIF)

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Conexión microprocesador - placa

● Formato slot

– cartucho con conexiones por un único lado

Slot 1
Intel Pentium II y III

Slot A
AMD Ahtlon

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Refrigeración del microprocesador

Micro en socket
Pasta térmica
Disipador (heatsink)
+
ventilador (fan o cooler)

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Memoria

● Localización:

+

• Memoria interna del procesador: registros de alta
velocidad internos a la CPU, se usan como
almacenamiento temporal de instrucciones y datos

d
a
d
i
c
o
e
v

l

• Memoria caché: pequeña y muy rápida, para acceso rápido

a los datos más usados
• Memoria principal: relativamente grande y rápida, usada
para el almacenamiento de las instrucciones de los
programas y sus correspondientes datos
• Memoria externa o secundaria: dispositivos periféricos
de almacenamiento accesibles a la CPU a través de
controladores de E/S

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Memoria

● Capacidad:

– Cantidad de información que puede almacenar
– Métricas típicas: palabras, bytes, bits
– Ejemplos:

● 1K palabra = 1024 = 210 palabras
● 1M palabra = 1048576 = 220 palabras

● Jerarquía de memoria

rápida pero cara

Rendimiento

y costo

crecientes

registros
cache

memoria principal (RAM)

memoria secundaria (discos)

almacenamiento fuera de línea

(cintas)

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Lenta pero barata

Memoria RAM

● Componente vital del sistema

– memoria principal del computador
– almacenamiento volátil

● Tecnología en constante evolución: SDRAM, DDR...

– mayor velocidad
– mayor capacidad
– menor tamaño

● Normalmente se proporciona en forma de módulos
– Porción rectangular de circuito impreso que se inserta en

ranuras o zócalos de la placa base. Cada módulo incorpora un
número variable de chips de memoria

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Memoria RAM

● Módulos con distintas formas, conexiones,

capacidad y velocidad

● El tipo de módulo de memoria y las

combinaciones posibles de estos van a depender
de la placa base

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Módulos de memoria RAM

SIMM (obsoletos)

DIMM

30 contactos

168 contactos SDRAM

72 contactos

184 contactos DDR SDRAM
Y seguimos...
DDR2 DIMM de 210 contactos
DDR3 DIMM de 240 contactos

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Dispositivos de almacenamiento

masivos

● Memoria secundaria

– almacenamiento no volátil

Disco duro

Blue Ray

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Dispositivos magnéticos

● Disquettes, cintas magnéticas, discos duros, etc
● Dentro de una carcasa se sitúan varios discos (platos)
● Uno o varios cabezales leen/escriben en la superficie de

los platos

● Estructura de un disco duro: pistas, sectores...

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Disco duro

● Parámetros típicos:

– Revoluciones por minuto (rpm): 5400, 7200, 10000...
– Tiempo de acceso (en milisegundos)
– Capacidad (Mbs, Gbs, Tbs...)
– Y Ruido (dBAs)

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Dispositivos de Entrada/Salida
● Tarjeta gráfica (o de vídeo)

● Monitor (o pantalla)

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Dispositivos de Entrada/Salida
● Tarjeta de sonido

● Impresoras

● Teclado y ratón

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Sistema de interconexión
● Un computador consiste en un conjunto de

componentes o módulos que se comunican entre sí

● Un bus es una vía de comunicación que conecta dos o

más dispositivos

● La característica clave de un bus es que se trata de un

medio de transmisión compartido
– Al bus se conectan múltiples dispositivos y una señal

transmitida por cualquiera de ellos puede ser recibida por
todas las otras unidades conectadas

– En un mismo instante de tiempo sólo es posible la transmisión

por parte de un único dispositvo, sin embargo la recepción
puede ser realizada por varios simultáneamente

BUS

Elemento 1

Elemento 2

Elemento n

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Chipsets de la place base

● Conjunto de chips que dan soporte al procesador en su

comunicación con el resto del sistema

● Clave en el rendimiento del computador
● Northbridge

– Comunica procesador con dispositivos más rápidos: memoria,

caches externas, PCIe, GPU integradas...

● Southbridge

PCI, ISA...

– Gestiona la comunicación con los dispositivos más lentos:

– Muchas veces contiene periféricos integrados

● Ethernet, USB, audio...

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Chipset de la placa base (ejemplo:

Intel P35)

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Ranuras de expansión

● Permiten conectar periféricos a los buses del sistema
● Estándares: ISA, PCI, AGP, PCIe...

● ISA (Industry Standard Architecture)

– De 8, 16 y 32 bits (EISA)
– ISA 8 bits a 4.77 MHz, 2.38 MB/s
– ISA 16 bits a 8 MHz, 8 MB/s
– EISA 32 bits, 8.33 MHz

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Ranuras de expansión

● PCI (Peripheral Component Interconnect)
– Introducido por Intel en 1992, es todavía

muy popular hoy en día (33 o 66 MHz)

– PCI 32 bits a 33 MHz, 132 MB/s
– PCI 64 bits a 33 MHz, 264 MB/s
– PCI-X de 64 bits a 133 MHz, 1GB/s

● AGP (Accelerated Graphics Port)

– Solución a cuello de botella que PCI
suponía para chips gráficos (1996)

– Comunicación punto a punto de 32 bits
– AGP 1.0 y 2.0, una única ranura,
restricción que elimina AGP 3.0

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Ranuras de expansión

● PCI Express

– Solución para una interfaz rápida con dispositivos de E/S,
basada en canales de comunicación serie punto a punto

– PCIe 1.1 soporta x1, x2, x4, x8, x16 y x32 canales
– Cada canal es un enlace full duplex punto a punto
– PCIe 1.1 funciona a 2'5 GHz, proporcionando 250 MB/s full

duplex

Slots PCIe de
x4, x16, x1 y
x16. Debajo
un PCI
tradicional de
32 bits.

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¿Qué nos depara el presente?

Intel I7 8 cores 3.33Ghz

Intel SSD 160 Gigas

GPGPU

DD3 2133

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