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Elementos funcionales del ordenador digital
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    Elementos funcionales del ordenador digital Elementos funcionales del ordenador digital Presentation Transcript

    • Arquitectura ordenador
    • Componentes físicos El hardware SIMM 2009-2010
    • Componentes físicos. El hardware Se pueden clasificar:  Unidad aritmético-lógica( UAL)  Unidad de Control (UC)  Memoria Central (MC) o RAM  Unidad de entrada/salida (E/S)  Controladores  Buses  Unidades periféricas o periféricos de entrada/salida SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    • .. SIMM 2009-2010
    • Unidad Central de proceso ( CPU)  Cerebro del ordenador  Unidad donde se ejecutan las instrucciones de los programas y se controla el funcionamiento de los distintos componentes del ordenador. Suele estar integrada en un chip denominado microprocesador. SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    •  Se suele llamar erróneamente CPU a la caja del ordenador donde van alojados los componentes básicos del mismo, es decir, además de la CPU en sí, la placa base, las tarjetas de expansión, el disco duro, la fuente de alimentación, etc. SIMM 2009-2010
    •  La potencia de un sistema informático se mide sobre todo por la de su CPU. SIMM 2009-2010
    • CPU compone:o Unidad de Control (UC)o Unidad Aritmético-lógica (ALU) SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    • Pero para que el procesador pueda trabajar necesita: La memoria (MC) Los periféricos de entrada/salida. SIMM 2009-2010
    • Unidad de control (UC) Interpreta y ejecuta las instrucciones maquina almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas SIMM 2009-2010
    • Esquema Unidad central de proceso SIMM 2009-2010
    •  La UC interpreta y ejecuta las instrucciones en el orden adecuado para que cada una de ellas se procede en el debido instante y de forma correcta. Para realizar todas estas operaciones, la UC dispone registros (espacios almacenamiento) SIMM 2009-2010
    • Además otros componentes Registro de instrucción.-Contiene la instrucción que se esta ejecutando. Consta diferentes campos:  CO : Código de la operación que se va a realizar.  MD: Modo de direccionamiento de la memoria para acceder a la información que se va a procesar.  CDE: Campo de dirección efectiva de la información SIMM 2009-2010
    •  Decodificador de instrucciones Extrae y analiza código de operación de la instrucción en curso. SIMM 2009-2010
    •  Registro contador de programas.- Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. SIMM 2009-2010
    •  Secuenciador Genera microordenes elementales, sincronizadas impulsos de reloj hacen se ejecuten paso a paso y de manera ordenada instrucciones cargadas en él. SIMM 2009-2010
    •  Reloj Sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes. Marca tiempos ejecución de los pasos a realizar para cada instrucción. Velocidad reloj en megahercios (MHz) SIMM 2009-2010
    •  Controlador de instrucciones Controla el flujo de instrucciones de la CPU e interpreta la instrucción para su posterior procesamiento. SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    • Unidad Aritmético-lógica (ALU) Recibe los datos sobre los que efectúa operaciones de calculo y comparaciones, toma decisiones lógicas. Realiza operaciones aritméticas y lógicas sobre la información. SIMM 2009-2010
    • Elementos componen ALU Circuito combinacional u operacional. Realiza las operaciones con los datos de los registros de entrada. Registros de entrada. Contienen los operandos de la operación. SIMM 2009-2010
    •  Registro acumulador. Almacena los resultados de las operaciones. Registro de estado. Registra las condiciones de la operación anterior. SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    • Etapas ejecución instrucción Vamos a ver las etapas como se ejecuta una instrucción cualquiera en el ordenador: SIMM 2009-2010
    •  La CPU extrae de memoria la siguiente instrucción a ejecutar y la almacena en el registro de instrucción. La posición de memoria en la que se encuentra esta instrucción la almacena el registro contador de programas. SIMM 2009-2010
    •  Se cambia el registro contador de programas con la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. Se analiza el código de operación (CO) de la instrucción, que esta contenido en el registro de instrucciones. SIMM 2009-2010
    •  Se determina a que datos de memoria hay que acceder, y como hay que hacerlo. Para ello se analiza el modo de direccionamiento de memoria (MD) para acceder a la información que se va a procesar, así como el campo de dirección efectiva de la información. SIMM 2009-2010
    •  Se extraen los datos, si los hay, de la posición de memoria especificada en el campo de dirección efectiva, y se cargan en los registros necesarios de la CPU para ser procesados. SIMM 2009-2010
    • El ordenador almacena de su memoria losprogramas y datos con los que vamos atrabajar. SIMM 2009-2010
    • Funcionamiento de un ordenador programadoPara que un ordenador pueda funcionardebe estar programado, es decir debeejecutar un programa.Este programa es consecuencia delanálisis detallado de las acciones quedebe llevar a cabo, la secuencia de lasmismas, la repetición sistemática de unconjunto de ellas, así como la elección deuna alternativa llegado el caso. Endefinitiva, la obtención de un algoritmo. SIMM 2009-2010
    • Posteriormente, este algoritmo escodificado según la sintaxis de unlenguaje de programación.Una vez escrito y codificado esteprograma se deberá compilar es decirtraducirlo a lenguaje máquina que esentendible por la unidad de controlordenador. SIMM 2009-2010
    • Una vez realizado el proceso decompilación, es conveniente almacenaren disco tanto el programa ejecutablecomo el fuente, por si quisiéramos hacerun cambio respecto a las especificacionesiniciales. Así el programa ejecutableestará dispuesto para llevar a cabo lafinalidad decrecido construido. SIMM 2009-2010
    • Para poder ejecutar el programapreviamente deberá ser cargado enmemoria y residir durante su ejecución. SIMM 2009-2010
    • La ejecución consistirá en un proceso repetitivo de dos fases: fase de búsqueda fase de ejecución. SIMM 2009-2010
    •  Durante la fase de búsqueda la unidad de control interpretara la acción que debe ejecutarse e identificara el lugar en que se encuentran los datos que intervienen en las operaciones. Una vez identificados estos datos serán depositados en los diferentes registros a tal efecto SIMM 2009-2010
    • En la fase de ejecución se procederá a laejecución propiamente dicha que serágeneralmente un cálculo aritmético, uncálculo lógico, o una operación detransferencia de datos SIMM 2009-2010
    • Caso práctico 1.Suma de dos datos Realizar la suma de un dato A, más un dato B, y el resultado se guardará en un dato C. La instrucción de suma se representará así: C = A + B. Suponemos que A=10 y B=15, la situación inicial de la memoria quedaría: SIMM 2009-2010
    • Situación de la memoria. Almacenamientode A, B y C. SIMM 2009-2010
    • Ejecución de la instrucción La UC interpreta el código y genera una secuencia de tres microinstrucciones elementales que afectan al registro acumulador. En éste es donde se almacenan los resultados de las distintas operaciones. Las tres operaciones son: SIMM 2009-2010
    • Carga del primer operandoA. Cargar el registro acumulador con el primer operando SIMM 2009-2010
    • Suma del segundo operando. B.Suma el segundo operando al contenido del acumulador. SIMM 2009-2010
    • Carga a la dirección del resultadoC.Carga el contenido del acumulador en la dirección del resultado SIMM 2009-2010
    • Caso práctico 2. Ejecución de una instrucciónNos imaginamos la memoria como unaserie de casillas con su direcciónasociada. El mapa de memoria semuestra a continuación: SIMM 2009-2010
    • Memoria Programa DatosLas instrucciones del programa 1 9 17 25comienzan en la dirección dememoria 4. Los datos se van a 2 10 18 26almacenar en las posiciones 3 11 19 27 Dato A27, 28 y 29, tal y como se 4 Leer A 12 20 28 Dato Bmuestra en la tabla. 5 Leer B 13 21 29 Dato CCada instrucción tiene su fasede búsqueda y su fase de 14 22 30 6 Calcular C=A+Bejecución: 7 Visualizar C 15 23 31 8 16 24 32 SIMM 2009-2010
    • Instrucción LEER A. Fase de búsqueda: 1. En el CP se almacena la dirección de memoria de comienzo del programa, la 4. 2. La UC envía una orden para que el contenido del CP, que es la dirección de la instrucción que estamos analizando, se transfiera al RDM (registro de dirección de memoria). SIMM 2009-2010
    •  3. El selector de memoria localiza la posición 4, y transfiere su contenido al RIM (registro de intercambio). El RIM contiene: LEER A. 4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción RI, en el que deposita el código de la instrucción a ejecutar. SIMM 2009-2010
    •  5. Seguidamente el decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI (en el ejemplo, la operación es Leer A) y genera las señales de control para ejecutar correctamente la instrucción. 6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la siguiente instrucción; en este caso es la 5: LEER B. SIMM 2009-2010
    • Fase de búsqueda de la instrucción LEER A. SIMM 2009-2010
    • Fase de ejecución: 7. Una vez conocido el código de operación, la UC establece las conexiones con el dispositivo de entrada, para aceptar el dato A. 8. La UC da la orden de que el dato leído se cargue en el RIM, y en el RDM se cargue la dirección de memoria donde se va a almacenar el dato leído; en el ejemplo esta dirección es la 27. SIMM 2009-2010
    •  9.El selector de memoria es el encargado de guardar en la dirección indicada por RDM, la 27 el contenido del RIM. SIMM 2009-2010
    • Fase de ejecución de la instrucción LEER A. SIMM 2009-2010
    • Instrucción LEER B. Se procede como en LEER A SIMM 2009-2010
    • Instrucción CALCULAR C = A + B. Fase de búsqueda:1. El CP contiene la dirección 6.2. La UC ordena que el contenido del CP pase al RDM.3. El selector de memoria localiza la posición 6, y transfiere su contenido al RIM. El RIM contiene:CALCULAR C = A + B SIMM 2009-2010
    • 4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción (RI). 5. Seguidamente el decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI y genera las señales de control para ejecutar correctamente la instrucción. 6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la siguiente instrucción, en este caso es la 7, VISUALIZAR C. SIMM 2009-2010
    • Fase de ejecución: 7. Se transfiere la dirección del primer operando A (27) desde el RI hasta el RDM. 8. El selector extrae el contenido de la posición 27 y lo deposita en el RIM. 9. El contenido del RIM se carga en el registro acumulador de la UAL. SIMM 2009-2010
    • Carga en el acumulador el dato A. SIMM 2009-2010
    •  10. Se transfiere la dirección del segundo operando B (28) desde el RI hasta el RDM.11. El selector extrae el contenido de la posición 28 y lo deposita en el RIM.. SIMM 2009-2010
    • Suma al acumulador el dato B. SIMM 2009-2010
    •  12. Se envía una orden para que el contenido del RIM se sume al contenido del registro acumulador de la UAL, y el resultado se almacene en el acumulador . 13. Este resultado es enviado desde el registro acumulador al RIM para almacenarlo en memoria, pero antes hay que localizar en qué dirección se va a almacenar. SIMM 2009-2010
    •  14. Se transfiere desde el RI (recuerda que en el RI está la instrucción del cálculo de la suma, es decir el código de operación y la dirección de los operandos), al RDM la dirección donde se va a almacenar el resultado, es decir la dirección de C (29). SIMM 2009-2010
    • 15. Finalmente se transfiere el resultado desde el RIM a la dirección indicada por el RDM, el resultado C queda almacenado en la posición 29. SIMM 2009-2010
    • Carga en el dato C el acumulador que contiene la suma. SIMM 2009-2010
    • Instrucción VISUALIZAR C.Fase de búsqueda:1. El CP contiene la dirección 7.2. El contenido del CP se transfiera al RDM.3. El selector de memoria localiza la posición 7,y transfiere su contenido al RIM. SIMM 2009-2010
    • 4. La UC da la orden de transferir el contenido delRIM al registro de instrucción (RI).5. El decodificador de instrucción (DI) analiza elcódigo contenido en el RI y genera las señales decontrol para ejecutar la instrucción6. El CP se incrementa en uno y su valor es 8, finde programa. SIMM 2009-2010
    • Fase de ejecución: 7. Una vez conocido el código de operación, la UC establece las conexiones con el dispositivo de salida para visualizar el dato C. 8. La dirección del dato a visualizar (la 29) se carga en el RDM SIMM 2009-2010
    •  9. El selector de memoria selecciona esa posición y guarda en el RIM el contenido del dato C. 10. Se generan las órdenes para que el contenido del RIM salga por la unidad de salida. SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    • Buses de comunicación Líneas eléctricas u ópticas a través de las que se comunican las distintas unidades de un ordenador. Cables por los que circulan los bits en forma de información. SIMM 2009-2010
    • Tipos de Buses Bus de datos Intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades. Cada instrucción de un programa y cada byte de datos viaja por este bus. SIMM 2009-2010
    • El intercambio de datos se realiza através de un conjunto de líneaseléctricas , una por cada bit .Se transmiten todos a la vez deformaparalela.El tamaño del bus se mide en bits SIMM 2009-2010
    • Si tienen un bus: Nºbits Transfieren cada ciclo de reloj 8 1 byte 16 2 bytes 32 3 bytes 64 4 bytes SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    •  Bus de direcciones Transmite direcciones entre la CPU y la memoria. Esta sincronizado con el de datos Necesario saber direcciones de los datos envían/ reciben por el bus de datos Cuanto >nº bits forma bus direcciones > rango memoria direccionable SIMM 2009-2010
    • El tamaño bus direccionesSi bus direcciones : Bits Accede posiciones memoria 10 210 16 216 36 236 SIMM 2009-2010
    • SIMM 2009-2010
    •  Bus de control Controla las unidades complementarias de la CPU, generando impulsos necesarios para gobernarlas. SIMM 2009-2010
    • Evolución de losmicroprocesadores
    • A medida que evoluciona laelectrónica evolucionan losmicroprocesadores y se hanincorporado dentro del microcomponentes que hacen que seanmas potentes y rapidos. SIMM 2009-2010
    • A medida que la informáticaevoluciona el software es cada vezmas complejo y eso hace que losequipos sean mas rápidos y mascomplicados SIMM 2009-2010
    • Los últimos micros sobrepasan la barrera de los gigahercios, lo que es justificable por lo siguiente : Los nuevos S.O. utilizan muchos recursos de la maquina SIMM 2009-2010
    •  Losnuevos formatos de audio y video comprimido (divX y MP3) se descomprimen en tiempo real SIMM 2009-2010
    • Diagrama de bloques de las CPUsactuales  El núcleo del procesador es la parte de la CPU que funciona a la misma velocidad de reloj que la UAL. Añade los siguientes elementos: SIMM 2009-2010
    •  Unidad de coma flotante (FPU) Es la encargada de manejar todas las operaciones en coma flotante. Estas operaciones involucran aritmética con números fraccionarios, operaciones matemáticas trigonometriítas y logarítmicas. SIMM 2009-2010
    •  La caché del procesador, de nivel 1 y de nivel 2. Las memorias caché se utilizan para guardar las posiciones de memoria de la memoria principal mas utilizadas. SIMM 2009-2010
    •  Cuando la caché contiene los datos que necesita la CPU, no hay tiempos de espera y se denomina acierto de la caché .Cuando la caché no contiene los datos, se denomina fallo de la caché y la CPU tendrá que esperar un tiempo hasta que la memoria principal entregue los datos. SIMM 2009-2010
    •  Las primeras cachés surgieron en la época del micro 386 de Intel (1986). Los diseños de esta placa base llevaban una caché de 64 kb. SIMM 2009-2010
    •  Con el 486 (1989) se incluyo una pequeña caché dentro del chip del micro (caché del procesador). Los fabricantes de placas incluyeron también una caché en la placa base (caché de nivel 2 - L2) y la integrada en el micro paso a llamarse ( Cache de nivel 1 – L1). SIMM 2009-2010
    •  Cuando la CPU solicita un dato, el primer lugar donde busca es la caché L1 SIMM 2009-2010
    •  Bus frontal (FSB). Bus que conecta la CPU con la placa base. Es la interfaz entre la caché de nivel 2 del procesador y la placa base. El ancho de este bus es de 64 bits SIMM 2009-2010
    •  BUS posterior (BSB). Es la interfaz entre la caché de nivel 1, el numero del procesador y la caché de nivel 2. El ancho de bus es de 256 bits. SIMM 2009-2010
    •  Instrucciones especiales. La aparición Pentium de Intel en 1992 incluía nuevas características: cachés independientes de 8 bits, una para guardar datos y otra para instrucciones y una unidad de coma flotante muy rápida. SIMM 2009-2010
    • También incluyo la arquitecturasuperescalar que permitía ejecutarmas de una instrucción en un ciclo dereloj; es decir admite mas de unaorden a la vez, como si trabajasen dosmicros juntos. SIMM 2009-2010
    • Se incluye la técnica de pipelining(segmentación), que consiste enque la CPU comienza a ejecutaruna instrucción antes determinar deejecutar la anterior. SIMM 2009-2010
    • La ejecución de una instrucción requieredos pasos: la búsqueda y la ejecución .Originalmente la CPU tenia que completaruna instrucción entera antes de comenzara comenzar a ejecutar la otra, pero ahoratodo es diferente: existen circuitos quemanipulan instrucciones separadas. SIMM 2009-2010
    • El primer Pentium tenia una ALU con unapipeline de doble ejecución, podía ejecutardos instrucciones al mismo tiempo. SIMM 2009-2010
    • Con la aparición del Pentium MMX surgela tecnología MMX (Multimediaextensión).Paralelamente la empresa AMD saca elK6, con su especificación 3D Now; estatecnologías intentan aumentar elrendimiento de las aplicacionesmultimedia y en 3D. SIMM 2009-2010
    • Lo forman un conjunto de instruccionesincorporadas en la CPU que utilizan lamatemática matricial para soportar losalgoritmos de comprensión ydecomprensión de gráficos (como jpeg,gif y Mpeg) y presentaciones graficas en3D. SIMM 2009-2010
    • MMX permite que la FPU (unidad decoma flotante) actúa con varios datossimultáneamente a través de unproceso llamado SIMD (instrucciónúnica, datos múltiples) caso en el queuna sola instrucción puede llevar acabo varias operaciones, pudiendohacer hasta 4 operaciones en comaflotante en cada ciclo de reloj. SIMM 2009-2010
    • Con la llegada del Pentium III en 1998 se incorpora al micro 70 instrucciones, llamadas SSE, también conocidas como MMX-2. Sus ventajas son las siguientes: Las instrucciones SSE permiten realizar cálculos matemáticos con números con coma flotante, al contrario que las MMx, que solo las realizan con números enteros. SIMM 2009-2010
    •  Las instrucciones SSE pueden utilizarse simultáneamente con la FPU o con instrucciones MMX. SIMM 2009-2010
    • Algunas de estas nuevas instruccionesoptimizan el rendimiento en apartadosmultimedia, como la reproducción devideo MPEG-2 o el reconocimiento devoz, mientras otras aceleran el acceso amemoria. SIMM 2009-2010
    • El Pentium IV añade las instruccionesSSE2 , 144 nuevas instrucciones, algunasde ellas capaces de manejar cálculos dedoble precisión de 128 bits en comaflotante. La idea es reducir el numero deoperaciones necesarias para realizar lastareas. SIMM 2009-2010
    • Actualmente el mercado demicroprocesadores esta monopolizadopor dos grandes marcas Intel y AMD. SIMM 2009-2010
    • AMD fabrico una línea de procesadoresX86 equiparables a los de Intel. Hasta laaparición del 486DX, AMD fueprácticamente un distribuidor de Intel, apartir de aquí empezó lasdesavenencias y la competencia entreambas compañias. SIMM 2009-2010
    • En la misma época que aparece Pentium,por el 1992 , AMD saca al mercado el K5.Con la aparición del Pentium MMX, AMDlanzo el primer K6 con tecnología MMX ycon una caché L2 integrada de 64 k, unadesventaja es que generaba bastante calory por ello tenia un encadenado diferente. SIMM 2009-2010
    • Pentium III con tecnología MMX2, AMDlanza el K6-2 con tecnología 3Dnow,superior al MMXParalelamente al Pentium III, AMD lanza elK6-3, que incorporaba una L2 de 256 k, elrendimiento era similar. SIMM 2009-2010
    • Después del K6-3, AMD lanza Athlon,Thunderbird y Duron. Con mejor caché,mayor FSB, mejoras en las FPUs y mayorvelocidad. SIMM 2009-2010