PDF de programación - Tema 4. Introducción a la Arquitectura de Computadores

Tema 4. Introducción a la Arquitectura

de Computadores

Departamento de Ingeniería y
Tecnología de Computadores

octubre de 2011

Índice

Índice

4.1. Estructura funcional de un ordenador
4.2. El procesador

4.2.1. Organización básica del procesador
4.2.2. Parámetros más importantes del procesador

4.3. Organización del subsistema de memoria

4.3.1. Concepto de jerarquía de memoria
4.3.2. ¿Qué es una memoria cachè?
4.3.3. La memoria principal y sus parámetros fundamentales
4.3.4. Memoria secundaria

4.4. Interconexión y dispositivos de E/S de un ordenador

4.4.1. Jerarquía de buses

Tema 4: Introducción a la Arquitectura …

octubre de 2011 - 2

Índice

Índice

4.1. Estructura funcional de un ordenador
4.2. El procesador

4.2.1. Organización básica del procesador
4.2.2. Parámetros más importantes del procesador

4.3. Organización del subsistema de memoria

4.3.1. Concepto de jerarquía de memoria
4.3.2. ¿Qué es una memoria cachè?
4.3.3. La memoria principal y sus parámetros fundamentales
4.3.4. Memoria secundaria

4.4. Interconexión y dispositivos de E/S de un ordenador

4.4.1. Jerarquía de buses

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4.1 Estructura funcional de un ordenador

Introducción

Estructura funcional de un ordenador

• Ordenador ” Máquina que procesa información y produce

unos resultados.
– La información a procesar puede:

• Estar almacenada previamente en el computador.
• Ser introducida desde el exterior.

– Los resultados producidos:

• Se almacenan en el propio computador.
• Se saca al exterior.

Dispositivos
de entrada

Datos

Resultados

Procesador

Dispositivos
de salida

• Programa ” Conjunto de instrucciones que debe ejecutar el
computador sobre los datos para procesarlos y obtener un
resultado.

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4.1 Estructura funcional de un ordenador

Introducción

Estructura funcional de un ordenador
Tradicionalmente, los computadores se dividen en 3 bloques:
•
1. Procesador o CPU (Central Processing Unit): Encargado de la ejecución

de las instrucciones. Se divide a su vez en:
• Unidad de control:

– Busca las instrucciones de la memoria.
– Decodifica las instrucciones que se van a ejecutar.
– Genera los valores de las señales (señales de control) que dicen lo que

hay que hacer para la ejecución de las instrucciones.

• Camino de datos: unidades funcionales que realizan las operaciones de las

instrucciones.

U.C

Hacia todos los
componentes

DIR A
DIR B

MUX

DIR W

PC

A

B

MUX

+2

MUX

A
L
U

UNIDAD de
CONTROL

Código
operación

MUX

Instrucciones de
memoria

Datos de lectura de
memoria

Dirección
Memoria de
instrucciones

Datos de escritura

en memoria

Dirección
Memoria
de Datos

RUTA de
DATOS

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4.1 Estructura funcional de un ordenador

Introducción

4.1 Estructura funcional de un ordenador

2.- Memoria:

•

•

Almacena los datos e instrucciones de los programas activos.

•
• Conceptualmente, gran estructura dividida en posiciones, cada una con una

dirección única.
En realidad, la memoria se organiza como una jerarquía con varios niveles,
cada uno con características diferenciadas (ver más adelante).
Para leer hay que indicar la dirección de memoria (MAR, Memory Address
Register) y activar IOR., para escribir, además de la dirección, hay que
proporcionar el dato (MDR, Memory Data Register) y activar IOW.

C.P.U.

M
M
A
A
R
R

…

I

E

A

…

J

F

B

…

K

G

C

L

H

D

I
O
R

I
O
W

I

J

K

L

M D R

DIRECCIONES
De MEMORIA

DATOS

HILOS de CONTROL

BUS de DIRECCIONES

BUS de DATOS

BUS de CONTROL

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4.1 Estructura funcional de un ordenador

Introducción

Estructura funcional de un ordenador

3.- Interconexión y dispositivos de Entrada/Salida:

• Dispositivos usados para interaccionar con el usuario del computador
(teclado, monitor, ratón, impresora, tarjeta de red, …). Se gobiernan por
direcciones de puerto ≠ Direcciones de memoria.
Interconexiones entre los distintos componentes del ordenador (bus PCI,
bus de memoria, …).

•

C.P.U.

M
M

A
A
R
R

I
O
R

I
O
W

…

I

E

A

I

…

J

F

B

J

…

K

G

C

K

L

H

D

L

DIRECCIONES
De MEMORIA
DIRECCIONES
De PUERTOS

DATOS

HILOS de CONTROL

TARJETA de

VÍDEO

CO

FUNDAMENTOS de
MPUTADORES

M D R

BUS de DIRECCIONES

BUS de DATOS

BUS de CONTROL

DISCO D U R O

PUERTOS de

E/S

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Índice

Índice

4.1. Estructura funcional de un ordenador
4.2. El procesador

4.2.1. Organización básica del procesador
4.2.2. Parámetros más importantes del procesador

4.3. Organización del subsistema de memoria

4.3.1. Concepto de jerarquía de memoria
4.3.2. ¿Qué es una memoria cachè?
4.3.3. La memoria principal y sus parámetros fundamentales
4.3.4. Memoria secundaria

4.4. Interconexión y dispositivos de E/S de un ordenador

4.4.1. Jerarquía de buses

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El procesador

4.2 El procesador

Introducción

• Dispositivo digital encargado de llevar a cabo las operaciones

indicadas por los programas software
– Instrucción ” Conjunto de símbolos que representa una orden de

operación o tratamiento para el computador.

– Programa ” Conjunto ordenado de instrucciones que indican al

computador una tarea completa.

• Puesto que todos sus componentes pueden ser incluidos en un
se habla normalmente de

(microchip)

circuito
microprocesador.

integrado

• Existen multitud de ejemplos, siendo los productos de AMD e Intel

los más empleados en el mundo de los PCs.

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Organización básica del procesador

4.2 El procesador 4.2.1 Organización básica del procesador

• Dividido en unidad de control y camino de datos.
• La unidad de control es la parte “activa” del procesador, puesto que
es la encargada de buscar las instrucciones de la memoria y ordenar
su ejecución al camino de datos.

• La unidad de control se comunica con el camino de datos a través de

las señales de control.

Código
operación

ID

Hacia todos
los
componentes

PC

A

B

DIR A
DIR B

MUX

DIR W
Data Write

MUX

+2

MUX

A
L
U

MUX

IR

Instrucciones de
memoria

Datos de lectura de
memoria

Dirección
Memoria de
instrucciones

Datos de escritura

en memoria

Dirección
Memoria
de Datos

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Organización básica del procesador

4.2 El procesador 4.2.1 Organización básica del procesador

• De forma simplificada, la unidad de control dispone de los siguientes

elementos:
– Registro Contador de Programa o PC (Program Counter): almacena la dirección de

memoria de la siguiente instrucción a ejecutar.

– Registro de Instrucción o IR (Instruction Register): almacena la instrucción a

ejecutar. El código de operación (Op. CODE) indica la instrucción a ejecutar.

– Decodificador de instrucciones o ID (Instruction Decoder): genera los valores de las

señales de control para la ejecución de cada instrucción

– Reloj o generador de pulsos: marca el ritmo al cual se llevan a cabo las operaciones

dentro del procesador.

• Tiempo de ciclo: periodo de esta señal.
• Frecuencia de reloj (en GHz o miles de millones de ciclos por segundo) =

inversa del tiempo de ciclo.

Señal de reloj (CLK)

ID

SEÑALES DE CONTROL

CONTADOR de PROGRAMA

(PC)

PC + 1

a MAR

Op. CODE OPERANDOS

REGISTRO de INSTRUCCIÓN (IR)

de MDR

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4.2 El procesador 4.2.1 Organización básica del procesador

Organización básica del procesador
• Por su parte, dentro del camino de datos estaría:

– Unidad aritmético-lógica o ALU (Arithmetic-Logic Unit): encargada de la
realización de operaciones aritméticas sobre números enteros y las
operaciones lógicas.

– Unidad de coma flotante o FPU (Floating-Point Unit): realiza las operaciones

aritméticas con operando de punto flotante.

– Banco de registros:

• Estructura que aglutina un número pequeño de registros .
• Cada registro contiene un dato que puede ser operado por la ALU o FPU.
• Para leer un registro hay que indicar el número del registro a leer y se obtiene

su contenido (puerto de lectura).

• Para escribir un registro hay que indicar el número de registro a escribir y el

dato (puerto de escritura (DataWrite)).

• 2 Bancos de registros separados para enteros (registros de propósito general) y

punto flotante.

F
P
U

A
L
U

Nº de registro a leer por A

Nº de registro a leer por B

DIR A

DIR B

Reg A

Dato leído por
puerto A

Nº de registro a escribir

DIR W

Reg B

Dato leído por
puerto B

DataWrite

Dato a escribir

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Organización básica del procesador

4.2 El procesador 4.2.1 Organización básica del procesador

•

Pasos para la ejecución de una instrucción:
1. Búsqueda de la instrucción e incremento del PC:

• Se lee la posición de memoria cuya dirección aparece en el registro
contador de programa (PC) y el valor leído se almacena en el
registro de instrucción (IR).

• Se incrementa el PC en 2 (en esta arquitectura de ejemplo, las
instrucciones son todas de 2 Bytes) para que contenga la dirección
de la siguiente instrucción a ejecutar:

I.D.

Hacia todos
los
componentes

PC

Código de
operación

DIR A
DIR B

MUX

DIR W
Data Write

A

B

MUX

MUX

+2

MUX

A
L
U

IR

Instrucciones de
memoria

Datos de lectura de
memoria

Dirección
Memoria de
instrucciones

Datos de escritura

en memoria

Dirección
Memoria
de Datos

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Organización básica del procesador

4.2 El procesador 4.2.1 Organización