PDF de programación - Arquitectura de un Ordenador

Arquitectura
de un Ordenador

Contexto y Motivación

• Para entender mejor lo que es un sistema software

resulta necesario entender dos elementos muy
importantes

- El computador como elemento básico constructivo de una
aplicación
- El sistema operativo como intermediador de esas dos capas

• En esta sesión veremos lo que es un

computador
• Saber cómo está hecho por dentro un computador
• Conocer el modelo básico de computación (Von Neumann)

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Contenidos

• Historia de los ordenadores
•

Introducción a las arquitecturas HW de un ordenador
-la máquina de Von Neumann

• Arquitecturas HW modernas

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Definición de un Ordenador

Según la RAE (Real Academia de la Lengua Española):

Máquina electrónica, analógica o digital, dotada de una memoria
de gran capacidad y de métodos de tratamiento de información,
capaz de resolver problemas matemáticos y lógicos mediante la
utilización automática de programas informáticos.

Según Stallings

Máquina digital electrónica programable para el tratamiento
automático de la información, capaz de recibirla, operar sobre
ella mediante procesos determinados y suministrar los
resultados de tales operaciones.

Computer Organization and Architecture: Designing for

Performance . William Stallings ISBN: 0-13-185644-8
Publisher: Prentice Hall

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Estructura (Hw) de un computador

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Conceptos

• Un computador digital es una máquina que puede resolver problemas

ejecutando ciertas instrucciones.

• Un programa es una secuencia de instrucciones.
•

Los circuitos electrónicos de cada computadora reconocen un conjunto
limitado de instrucciones muy simples.

• Lenguaje máquina es el conjunto de instrucciones básicas de una

computadora.

• Utilizar lenguaje máquina es difícil y tedioso.
• Solución:

sea L1 el lenguaje máquina
y L2 un lenguaje más fácil de utilizar

programa en L2

compilación (compilador)

interpretación (intérprete)

programa en L1

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Hw y SW

APLICACIONES

SISTEMA OPERATIVO

HW: CPU, RAM, I/O …

APLICACIONES

S.O. (ii)

S.O. (i)

HW: CPU, RAM, I/O …

•

•

(i) – Gestión de tareas, gestión de memoria, drivers de dispositivos de
I/O…
(ii) – Sistema de ficheros, interpretes de comandos, interfaces de
usuario, APIs de programación…

 En este tema nos centraremos en el HW. En la próxima sesión en el

SW.

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Historia

• Algunas generaciones y sus tecnologías:

hasta 1945: Sistemas mecánicos y electro-mecánicos
1945 – 1955: Tubos al vacío, tableros
1955 – 1965: Transistores y sistemas por lotes
1965 – 1980: Circuitos integrados y multiprogramación
desde 1980: Computadores personales

Difference Engine (1822)

ENIAC
(1946)

8

IBM 704 (1955)

• Primera máquina comercial con hardware de punto

flotante (5kFLOPS).

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Los compiladores

• Permiten escribir programas en

lenguaje de alto nivel y traducir estos
a las operaciones que es capaz de
hacer el procesador de una
determinada máquina.

• Primer compilador: FORTRAN (1957)
• Primer compilador FORTRAN para IBM

704 (Formula Translator)
Invención del mouse (1964).

•

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Irrumpe Intel

• Fundado en1968
• Laboratorios Bell desarrolla el lenguaje

C (1972) -> para escribir UNIX

#include
main()
{

for(;;)
printf("Hello world..."\n);

}

11

El primer chip

•

Intel 4004 (1971)

12

Apple

• Apple I (1976)
- Precio de venta 666,66 $

13

Microsoft

• En 1978

14

Nacimiento del PC

• Nace en 1981

15

Primeros sistemas multimedia

• En 1984 nace el CD (por Sony)

Y las interfaces gráficas

Macintosh (1984)

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Y las interfaces gráficas

• X Windows para UNIX (1984)

• Y también Windows (más

tarde)

17

Contenidos

• La máquina de Von Neumann

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La máquina de Von Neumann

• El modelo básico de arquitectura de

un ordenador fue establecido en
1945 por Von Neumann
(Pennsylvania University).

“…Puesto que el dispositivo final ha de ser

una máquina computadora de propósito
general, deberá contener ciertos órganos
fundamentales relacionados con la
aritmética, la memoria de almacenamiento,
el control y la comunicación con el operador
humano…”.

19

La máquina de Von Neumann

• Memoria principal: es una unidad dividida en celdas, que se

identifican mediante una dirección. Todas las celdas son del mismo
tamaño y se emplean para almacenar datos e instrucciones.

• Unidad aritmético-lógica: permite realizar una serie de operaciones

elementales, tales como suma resta, AND, OR, etc.

• Unidad de control: se encarga de leer, una tras otra las instrucciones
de máquina, y de generar las señales de control necesarias para que
el computador funcione.

• Equipos de E/S: realiza las transferencias de información con las

unidades exteriores denominadas periféricos.

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La máquina de Von Neumann

• Memoria principal: es una unidad dividida en celdas, que se

identifican mediante una dirección. Todas las celdas son del mismo
tamaño y se emplean para almacenar datos e instrucciones.

• Unidad aritmético-lógica: permite realizar una serie de operaciones

elementales, tales como suma resta, AND, OR, etc.

• Unidad de control: se encarga de leer, una tras otra las instrucciones
de máquina, y de generar las señales de control necesarias para que
el computador funcione.

• Equipos de E/S: realiza las transferencias de información con las

unidades exteriores denominadas periféricos.

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Programa almacenado
y propósito general

“…La máquina debe ser capaz de almacenar no solamente la

información digital necesaria en una determinada
computación […] sino también las instrucciones que
gobiernen la rutina a realizar sobre los datos numéricos.
[…] Para que la máquina sea de propósito general, debe ser
posible instruirla de modo que pueda llevar a cabo cualquier
computación formulada en términos numéricos. Por tanto,
debe existir algún órgano capaz de almacenar esas órdenes
de programa…”.

Actualmente se habla de instrucciones.
- El conjunto de instrucciones diferentes que puede ejecutar
un ordenador se llama juego o repertorio de instrucciones.

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Instrucciones

• El computador es capaz de ejecutar una serie de
instrucciones simples, tales como sumas, restas,
movimientos de información, etc.

• Las instrucciones no se ejecutan de golpe, ya que al ser los

computadores dispositivos digitales, llevan asociado un
“reloj” que les marca el paso.

• Por lo general, una instrucción es una orden de

procesamiento de información, por lo que su ejecución obliga
a cumplir unos requisitos previos.

• En cualquier caso, los dos puntos anteriores obligan a

realizar una temporización de la ejecución.

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Memoria

• En el subsistema de memoria se almacenan tanto las
instrucciones que forman un programa como los datos
(arquitectura Princeton)

• La memoria ha de ser de acceso directo, también llamado

acceso aleatorio.

• El elemento mínimo de almacenamiento es el bit.
• Un punto de memoria es un mecanismo físico capaz de

almacenar un bit.

24

Memoria (II)

• Operaciones de lectura y escritura:

25

Memoria (III)

• Datos a almacenar en memoria

-Direcciones o «punteros» y enteros sin signo:

d bits para 2d direcciones

-Números enteros (con signo):

binario (o decimal, BCD)
n bits para una extensión de -2n-1 a 2n-1 -1 (formatos de coma

fija)

-Números reales:

formatos de coma flotante
n bits que determinan la extensión y la precisión

-Caracteres:

ASCII, o ISO Latin1 (8 bits) o Unicode (uno o varios bytes)
• Nota: sólo los dos primeros tienen sentido en la máquina de

Von Neumann

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Unidad Aritmético Lógica

“… Puesto que el dispositivo va a ser una

máquina computadora, ha de contener un
órgano aritmético que pueda realizar
ciertas operaciones aritméticas
elementales. Por tanto, habrá una unidad
capaz de sumar, restar, multiplicar y
dividir…”.

• La UAL incluye también las operaciones

de tipo lógico.

• Disyuntiva hardware/software:

muchas funciones pueden realizarse

indistintamente de manera cableada (por
hardware) o de manera programada (por
software)

27

Unidad de Control

“… Si la memoria para órdenes es simplemente un órgano de

almacenamiento, tiene que haber otro órgano que pueda
ejecutar automáticamente las órdenes almacenadas en la
memoria. A este órgano le llamaremos el control…”.

28

Unidad de Control (II)

“… Tiene que ser posible extraer números de cualquier parte de la
memoria en cualquier momento. Sin embargo, en el caso de las
órdenes, el tratamiento puede ser más metódico, puesto que las
instrucciones de control se pueden poner, por lo menos
parcialmente, en secuencial lineal. En consecuencia, el control
se construirá de forma que normalmente proceda de la
posición n memoria a la posición (n+1) para su siguiente
instrucción…”.

• Otro aspecto: la modificación de instrucciones.

-Originalmente empleada para recorrer zonas de

memoria.

-Ya no se emplea.

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Unidades de Entrada y Salida

“… Por último, tiene que haber dispositivos, que constituyen el

órgano de entrada y de salida, mediante los cuales el
operador y la máquina puedan comunicarse entre sí”.

- Las unidades de entrada y salida, o dispositivos periféricos,

pueden ser muchas y variadas.

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Formato de las Instrucciones

• Representación de datos: en binario, con 40 bits.

• Repertorio de instrucciones:

Sumar, restar,…
Hasta 28 instrucciones (256)

• Espacio de direccionamiento: 212 = 4096 palabras.

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Fases de Ejecución de una

Instrucción

• Las fases de ejecución de una instrucción

suelen ser las siguientes:
1. La Unidad de Control indica a la Memoria Principal la

siguiente instrucción que quiere ejecutar.

2. La U.C. recibe la instrucción, procediendo a su análisis
para determinar los operandos sobre los que actúa y su
localización.

3. Bajo las directrices de la U.C. la U.A.L realiza la operación

y se guarda el resultado en su destino.

4. Una vez ejecutada la instrucción se incrementa el

contador de programa y se pasa a realizar la ejecución
de la siguiente instrucción.

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Fases de Ejecución de