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U1S1: ARQUITECTURAS DE CÓMPUTO

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Arquitectura de Computadoras
Instituto Tecnológico Superior de Teziutlán

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U1S1: ARQUITECTURAS DE CÓMPUTO

  1. 1. INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEZIUTLÁN MATERIA: ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS ENERO - JUNIO 2017
  2. 2. Correos Electrónicos: yasmarlom@outlook.com yasser.marin@itsteziutlan.edu.mx yasmarlom@gmail.com Redes Sociales: https://www.facebook.com/Yamler.Prost Búsqueda: Yamler Nightbird Ml DATOS DE CONTACTO
  3. 3. ARQUITECTURA COMPUTACIONAL
  4. 4. ARQUITECTURA COMPUTACIONAL SISTEMA INFORMÁTICO Equipo cuyo objetivo es la ejecución de instrucciones, utilizando datos provenientes de cualquier fuente o dispositivo de entrada, y procesarlos para un fin determinado, y generar u obtener información SISTEMA DE CIRCUITOS DIGITALES Una computadora es un complejo sistema en el que existen elementos digitales (combinacionales y secuenciales), los cuales realizan lo que se denomina “Procesamiento” y “Transferencia” de datos SISTEMA DE OPERACIÓN NUMÉRICA El procesamiento de datos es, en su forma más elemental, operaciones aritméticos y/o lógicas que son interpretadas o utilizadas por los programas que se están ejecutando. SISTEMA “UNIVERSAL” Salvo ciertas aplicaciones específicas y componentes de hardware, un equipo de cómputo es un sistema debe ejecutar cualquier programa que se instale o se cargue, con rendimiento aceptable
  5. 5. MICROCONTROLADORES COMPUTADORA PERSONAL Circuito Integrado programable. • Tareas Específicas o Repetitivas Periféricos de E/S • Puertos Digitales E/S • Contadores, Temporizadores • Conversores ADC o DAC • Puertos de Comunicación (Serial, USB) CPU • 4,8,16,32 o 64 bits • 8 - 12 MHz de velocidad Memoria RAM • 128 Bytes Equipo de cómputo enfocado principalmente para ser usada por un solo usuario. Periféricos de E/S • Teclado • Disp. Apuntadores • Bocinas CPU • 32, 64 bits • 1.5 GHz - 4 GHz de velocidad • 1 – 8 núcleos físicos o virtuales Memoria RAM • 1 Gb – 16 Gb de capacidad SISTEMAS DE CÓMPUTO
  6. 6. SISTEMAS DE CÓMPUTO ESTACIÓN DE TRABAJO Computadora de altas prestaciones para trabajos técnicos o científicos. CPU • 64 bits • 1.5 GHz - 4 GHz de velocidad • 1 – 8 núcleos físicos o virtuales Memoria RAM • 6 Gb – 24 Gb de capacidad Tarjetas Gráficas Potentes Equipos dedicados para prestar servicios o recursos a otros equipos denominados “Clientes” CPU • 32 y 64 bits • 2 GHz – 3 GHz • 2 – 10 Núcleos • Hasta 16 microprocesadores Memoria RAM • 32 GB – 64 GB de capacidad Disco Duro • n Terabytes SERVIDORES
  7. 7. SISTEMAS DE CÓMPUTO COMPUTADORAS CENTRALES SÚPER COMPUTADORAS Sistemas enfocados principalmente para el almacenamiento y procesamiento de datos de compañías, empresas o instituciones. CPU • 64-500 Microprocesadores de 4 núcleos. Memoria RAM • 1520 GB de capacidad. Sistemas de Auto diagnóstico y Auto reparación. Equipos especializados empleados para cálculos numéricos a gran escala, simulación de escenarios, pruebas balísticas, etc. CPU • 18,000 Nodos • Nodo: 1 Microprocesador de 16 núcleos y un Procesador de Gráficos (GPU) de 24 GB. Memoria RAM • 720 TB de capacidad
  8. 8. ARQUITECTURA COMPUTACIONAL ARQUITECTURA COMPUTACIONAL Atributos o características de un sistema visibles al programador u operador. Define el juego de instrucciones y operaciones que realiza el CPU, así como los operandos, los códigos y los formatos de cada instrucción o dato. Se define “Lo que hay y lo que sucede” ORGANIZACIÓN Y ESTRUCTURA Visualizar el diseño conceptual y la estructura operacional de un sistema de computadora o cualquier sistema digital. Define la estructura lógica que da forma a la arquitectura. Establece “Cómo sucede” TECNOLOGÍA O REALIZACIÓN Determina cada componente y cómo se interconectan con los demás elementos. Seleccionar e interconectar componentes de Hardware según los requerimientos del sistema, y las configuraciones para determinadas operaciones.
  9. 9. FILOSOFÍAS DE CÓMPUTO ARQUITECTURA O MODELO VON NEUMANN
  10. 10. ENIAC (Computador e Integrador Numérico Electrónico) fue el primer equipo de computación programable y de propósito general. La programación y la entrada de datos implicaba “Re cablear” el sistema o reconstruir algunas de sus partes. El almacenamiento de ciertos datos se realizaba mediante tubos de vacío y condensadores. FILOSOFÍAS DE CÓMPUTO
  11. 11. El concepto de «Programa Almacenado» fue establecido por el matemático John von Neumann, consejero de Presper Eckert y William Mauchly, durante el desarrollo de EDVAC (Computador Electrónico Automático de Variables Discretas) Almacenar las instrucciones implicó la simplificación de la programación, al no tener que volver a configurar el cableado. Generalizar el diseño de hardware permite a un equipo de cómputo ejecutar cualquier problema y enfocarlo al control y ejecución de los programas. John William Mauchly y John Presper Eckert Creadores oficiales de la ENIAC. FILOSOFÍAS DE CÓMPUTO John von Neumann Consejero de Mauchly y Eckert
  12. 12. Modelo que concibe a un equipo de cómputo como un sistema formado por los siguientes elementos: • UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU) • MEMORIA CENTRAL • INTERFACES DE ENTRADA/SALIDA • BUS DE SISTEMA ARQUITECTURA O MODELO “VON NEUMANN”
  13. 13. UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO (CPU) MICROPROCESADOR ALU: Elemento que realiza operaciones de índole matemática (Op. aritméticas) o lógica (Op. Booleanas). REGISTROS: Permiten alojar datos requeridos por la ALU, así como los resultados. UNIDAD DE CONTROL: Realiza operaciones de Control, Decisión y Movimiento de Datos. ARQUITECTURA O MODELO “VON NEUMANN”
  14. 14. Unidad de almacenamiento de los datos a utilizar en los procesos del CPU y los programas o instrucciones que serán registrado por la Unidad de Control. Los programas y los datos provienen en su mayoría del exterior de la computadora, los cuales se alojan en forma temporal. MEMORIA CENTRAL O PRINCIPAL ARQUITECTURA O MODELO “VON NEUMANN”
  15. 15. Elementos de comunicación entre el CPU y los dispositivos de Entrada (Teclado, Ratón), de Salida (Monitor, Impresora) y de Entrada/Salida (Discos, Cintas Magnéticas) INTERFACES O SUBSISTEMAS DE ENTRADA / SALIDA ARQUITECTURA O MODELO “VON NEUMANN”
  16. 16. Conjunto de líneas de interconexión entre todos los componentes: BUS DE CONTROL (CONTROL BUS): Solicitudes de Lectura/Escritura de Datos/Instrucciones. BUS DE DATOS (DATA BUS): Transmisión/Recepción de Datos e Instrucciones de todo el sistema BUS DE DIRECCIONES (ADDRESS BUS): Transmisión de Direcciones de Memoria o Dispositivos BUS DE SISTEMA ARQUITECTURA O MODELO “VON NEUMANN”
  17. 17. CARACTERÍSTICAS DEL MODELO VON NEUMANN Es la arquitectura de cómputo presente en todas las computadoras de propósito general. El modelo es indistinto de la compañía fabricante o del año de lanzamiento, o si el equipo es de escritorio o portátil.
  18. 18. La característica principal del Modelo von Neumann es la presencia de una única Unidad de Memoria y un Bus Principal de Sistema. El bloque de memoria principal se enfoca principalmente en la Memoria RAM, y no en otros dispositivos de almacenamiento. Independientemente del número de memorias del equipo de cómputo, para efectos del modelo sólo existe un bloque CARACTERÍSTICAS DEL MODELO VON NEUMANN
  19. 19. Los programas alojados en la memoria es el aspecto más importante. Pueden manipularse como si fuesen datos de E/S. Las instrucciones deben tener el mismo formato que los datos. El procesamiento de información, desde la lectura de instrucciones y datos alojados en memoria, hasta la salida y almacenamiento de los mismos, se realiza en forma secuencial. PROGRAMS OR APPS TURNS INTO DATA CARACTERÍSTICAS DEL MODELO VON NEUMANN
  20. 20. Los buses (Pistas, Cables, Sockets, etc.) que componen el Bus Principal del Sistema se agrupan dependiendo su función o propósito, y su tamaño y velocidad depende del tipo de información que transporte. Así mismo, su importancia aumenta conforme estén físicamente más cerca de los componentes que integran el CPU. CARACTERÍSTICAS DEL MODELO VON NEUMANN
  21. 21. Una ventaja importante del Modelo es que permite que uno o todos los elementos del sistema de cómputo pueda ser modificado o ampliado para lograr un mayor rendimiento, bajo ciertas limitaciones entre las que se incluyen espacio físico, velocidades máximas, alimentación, entre otras. CARACTERÍSTICAS DEL MODELO VON NEUMANN
  22. 22. LIMITACIONES DEL MODELO VON NEUMANN Al trabajar de manera secuencial, el CPU debe terminar de codificar y ejecutar una instrucción antes de admitir otra o un nuevo conjunto.
  23. 23. El disponer de un único bus de sistema, aunado a la ejecución secuencial de las instrucciones, provoca que la velocidad del procesador sea lenta. LIMITACIONES DEL MODELO VON NEUMANN
  24. 24. Como el modelo von Neumann contiene un único sitio de alojamiento de instrucciones y datos, y lo limitado del tamaño del Bus Principal, el CPU debe realizar varios accesos a la Memoria Principal. LIMITACIONES DEL MODELO VON NEUMANN
  25. 25. La limitación en la velocidad y el tamaño del Bus Principal no permite el acceso simultáneo o paralelo a las instrucciones y los datos, el número de accesos a memoria, entre otros, provocan que en algún momento la información sature la capacidad de flujo del Bus, fenómeno conocido como “Cuello de Botella” LIMITACIONES DEL MODELO VON NEUMANN
  26. 26. Procesador Marvel Sheeva ARM • 800 MHz • Tecnología ARMv7 Memoria RAM • 1 GB DDR3 Almacenamiento Interno • Memoria Flash tipo NAND 8 GB Laptop XO 1.75 EJEMPLO DE UN SISTEMA DIGITAL CON ARQUITECTURA VON NEUMANN
  27. 27. FILOSOFÍAS DE CÓMPUTO ARQUITECTURA O MODELO HARVARD
  28. 28. La máquina Harvard MARK I fue un proyecto realizado entre la Universidad de Harvard y los laboratorios de IBM que dio inicio en 1939. El diseño de la máquina estuvo a cargo del Dr. Howard Aiken, de la Univ. de Harvard, que basó su trabajo en la Máquina Analítica de Charles Babbage. Se considera la primer computadora con memoria tipo RAM, al tener un espacio de memoria que almacenaba los programas provenientes de tarjetas perforadas. FILOSOFÍAS DE CÓMPUTO Dr. Howard Aiken Responsable del diseño de la MARK I
  29. 29. • UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU) • MEMORIA DE DATOS • MEMORIA DE INSTRUCCIONES O PROGRAMAS • INTERFACES DE ENTRADA/SALIDA • BUS DE SISTEMA Modelo que se caracteriza principalmente por disponer, además de los elementos básicos de una computadora, de dos Unidades de Memoria separadas y conectadas mediante su propio bus al CPU. ARQUITECTURA O MODELO “HARVARD”
  30. 30. Memoria que cuenta con su propio bus de comunicación con el CPU, dedicada al almacenamiento de datos. Puede ser leída o escrita al tiempo que el CPU accesa a la otra memoria. MEMORIA DE DATOS ARQUITECTURA O MODELO “HARVARD”
  31. 31. Memoria que cuenta con su propio bus de comunicación con el CPU, que guarda las instrucciones provenientes del software o el sistema operativo . La longitud de las instrucciones puede ser independiente de la de los datos, lo que facilita y optimiza su uso, y la tecnología de funcionamiento puede ser distinta a la de la memoria de datos. MEMORIA DE INSTRUCCIONES O PROGRAMAS ARQUITECTURA O MODELO “HARVARD”
  32. 32. CARACTERÍSTICAS DEL MODELO HARVARD Modelo de Arquitectura de Cómputo presente en sistemas embebidos, como microcontroladores, o cualquier otro sistema digital de propósito específico ELECTROCARDIÓGRAFO TARJETA DE DESARROLLO FPGA TARJETA DE DESARROLLO ARDUINO SMARTPHONE
  33. 33. El sello distintivo de la Arquitectura Harvard es su Sistema de Memorias. Al disponer de una Memoria exclusiva para Datos y otra exclusiva para Programas, y cada una con sus propios buses, el CPU puede acceder a ellos al mismo tiempo (PARALELISMO) CARACTERÍSTICAS DEL MODELO HARVARD
  34. 34. Con buses separados, el CPU puede realizar la búsqueda de nuevas instrucciones mientras se termina de ejecutar un conjunto anterior. Esto permite que en un solo ciclo de reloj del CPU se ejecuten partes o segmentos de instrucciones, en vez de esperar terminar de ejecutar una instrucción de inicio a fin. Dicho fenómeno se denomina “Segmentación” o “Pipelining”. CARACTERÍSTICAS DEL MODELO HARVARD
  35. 35. LIMITACIONES DEL MODELO HARVARD Tratar de expandir la capacidad de las memorias o añadir memoria externa es un proceso complejo o en muchos casos imposible. Las características del Hardware de los Sistemas basados en Arquitectura Harvard, al ser éstos de propósito específico, tienen el criterio de ser “a la medida”. En consecuencia, no son susceptibles de modificarse, pero sí de expandirse, aunque con ciertas limitaciones.
  36. 36. Por la cantidad de buses dedicados o específicos, implica que, en la práctica, un sistema basado en Harvard tenga una significativa complejidad estructural y, por tanto, no pueda ser ni modificado ni expandido en lo que respecta al CPU, las memorias o buses. LIMITACIONES DEL MODELO HARVARD
  37. 37. Atmel AVR ATMega 328 • Microcontrolador de formato 8 bits. • CPU RISC a 20 MHz • 32 KB de memoria flash • EEPROM 1KB • 2 KB de SRAM • 32 Registros de Propósito General • Interrupciones Internas y Externas • ADC de 6 canales de 10 bits • USART EJEMPLO DE UN SISTEMA DIGITAL CON ARQUITECTURA VON NEUMANN

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