PDF de programación - Tema 1: Conexión de procesadores. Buses - Arquitectura de Computadores

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Arquitectura de
Computadores

Tema 1:
CONEXIÓN DE PROCESADORES.

BUSES

http:// www.atc.us.es

ÍNDICE (1)
ÍNDICE (1)

INTRODUCCIÓN: estructura de un computador y máquina de Von

Neumann.

INTRODUCCIÓN A LOS BUSES:
Características y tipos de señales
Clasificación de buses
Jerarquía de buses
Cronogramas ó Diagramas de Temporización

LÍNEAS DE DATOS Y DIRECCIÓN

Organización de la memoria
Memorias ROM
Decodificación de espacios de memoria

ÍNDICE (2)
ÍNDICE (2)



LÍNEAS DE CONTROL
Señales de sincronización
Señales de arbitraje
Circuitería usada en la interfaz de bus

EJEMPLOS DE CONEXIONES A PROCESADORES REALES:



La familia 80x86. El 8086.
La familia 68000. El 68000.


Circuitería adicional: el Reset y el Reloj.
Ejemplo de aplicación: diseño de un sistema de memoria para un 68000.

EJEMPLO DE BUS REAL: EL BUS PCI

INTRODUCCIÓN (1)

En 1946 John Louis Von Neumann describió lo
que son los fundamentos para la construcción y
desarrollo de los todos los computadores.

Instrucciones y datos se almacenan juntos en un

medio uniforme: la memoria.

Elemento en memoria ambiguo: ¿es dato o

instrucción? Depende de cómo se opere o ejecute
respectivamente.

Presencia de registros internos: registro de

instrucción y otro de datos.

INTRODUCCIÓN (2)

Ciclo repetitivo de pasos: localizar y ejecutar en

secuencia las instrucciones de un programa.

Con el modelo Von Neumann se construyeron:

EDVAC (1949, primera con almacenamiento
masivo memoria), EDSAC (1949, ordenador
electrónico) y UNIVAC (1951, primer ordenador
comercial y uso compilador).

Tres componentes fundamentales: CPU ó

procesador, memoria y sistema de Entrada/salida
(E/S) de datos. ¿Bus el cuarto componente?

INTRODUCCIÓN (3)

INTRODUCCIÓN (4)

Elementos de un Sistema Basado en Computador:

CPU ó PROCESADOR: único elemento activo que:

Maneja datos e instrucciones.
Realiza operaciones: transferencia, aritméticas, lógicas, etc.

(Posee un Juego de Instrucciones)

Se dice elemento activo porque recibe una serie de datos y

genera otros diferentes.

MEMORIA: elemento (pasivo) que:

Almacena datos/instrucciones, sin alterarlos, en un conjunto de

celdas, direccionables por el procesador, para lectura o
escritura.

Capacidad de direccionamiento de una memoria: M=2n.
La capacidad se define en Kilobytes (210), Megabytes (220), ó

Gigabytes (230).

Mapa de memoria de una CPU: datos, programas y E/S.

INTRODUCCIÓN (5)
SUBSISTEMA DE ENTRADA/SALIDA (E/S):

elemento que comunica el computador con el exterior.
El computador ve el subsistema de E/S como un conjunto de
posiciones de memoria sobre las que se puede escribir o leer
datos.

BUS DEL SISTEMA (BUS): elemento que comunica

la CPU, MEMORIA y E/S.

Arquitectura general de
un ordenador ó
computador moderno

CPU

Memoria

Bus del sistema

E/S

INTRODUCCIÓN (6)

Esquema general
de funcionamiento
de un ordenador ó
computador
moderno

ÍNDICE (1)
ÍNDICE (1)

INTRODUCCIÓN: estructura de un computador y máquina de Von

Neumann.

INTRODUCCIÓN A LOS BUSES:
Características y tipos de señales
Clasificación de buses
Jerarquía de buses
Cronogramas ó Diagramas de Temporización

LÍNEAS DE DATOS Y DIRECCIÓN

Organización de la memoria
Memorias ROM
Decodificación de espacios de memoria

INTRODUCCIÓN A LOS BUSES
Los componentes de un computador (CPU, Memoria,

E/S) se conectan entre sí mediante un conjunto de
líneas que transmiten señales con funciones
específicas.

Tres tipos de señales que constituyen un bus:

direcciones (de memoria o E/S), datos y control.



Memoria de

Datos y
Programas

Memoria
no Volátil

para

Arranque

Bus de Datos

Bus de Direcciones

Bus de Control

Dispositivo

E/S

CPU

Características y tipos de
señales de buses (1)
Los buses se componen de líneas eléctricas que

transmiten un “0” (cero voltios) o un “1” (más de cero
voltios).

Líneas/bus de datos: camino para transferir datos
entre el resto de componentes de un computador.
Su anchura (número de líneas eléctricas) suele ser
una potencia de dos (8=23, 16=24, 32=25, 64=26, ...).

Líneas/bus de direcciones: designan la

posición/dirección de los datos. Son salidas de la
CPU/procesador y determinan capacidad de
direccionamiento.

Líneas/bus de control: controlan el acceso y uso de

las líneas/buses anteriores.

Características y tipos de señales
de buses (2)

BUS DE DIRECCIONES

BUS DE DATOS

E/S

CONTROL

CPU

CONTROL

MEMORIA

Clasificación de buses

Tipos de buses:

SERIE y PARALELO: los primeros transmiten bit a bit y los

segundos varios bits a la vez.

MULTIPLEXADOS y NO MULTIPLEXADOS ó DEDICADOS: los

multiplexados realizan diferentes funciones en función de las
necesidades del momento.
Ejemplo: bus compartido para direcciones y datos ahorro en
Hardware y por lo tanto en costes.

CENTRALIZADOS y DISTRIBUIDOS (arbitración): necesidad de
determinar qué elemento transmite y cuál recibe. Generalmente
existe arbitración centralizada por la CPU ó procesador.

SÍNCRONOS y ASÍNCRONOS (temporización): cómo ocurren los
diferentes eventos (comienzo, fin, ...) implicados en la transmisión
de información. Utilización de una señal de reloj (comunicación
síncrona) ó unas líneas de protocolo (comunicación asíncrona).

Jerarquía de buses (1)
Compatibilidad entre buses:

sólo si son eléctricamente idénticos. Las características de los
diferentes tipos de buses deben estar normalizadas. Ejemplo:
bus PCI, AGP, USB, FireWire...

Antiguamente sólo existía un bus principal que lo

conectaba todo: bus del sistema.

Actualmente existe un conjunto de buses

conectados entre sí y formando una jerarquía.

Facilita la mejora del rendimiento de todo el

computador al agrupar dentro de los diferentes
tipos de buses aquellos componentes del
ordenador que tienen aproximadamente la misma
velocidad de transmisión de la información.

Jerarquía de buses (2)

Contra más lejos de la CPU, buses más lentos y

normalmente de menos líneas de datos.

Varios tipos de buses en función de su posición

dentro de la jerarquía:
Bus de CPU ó “bus local” del procesador: elementos

más rápidos tales como la memoria caché.

Bus local ó bus del sistema (Front Side Bus): conecta

elementos tales como la memoria principal o
dispositivos rápidos (por ejemplo AGP).

Bus de expansión y/o E/S: PCI, USB, ATA, SCSI, ...

Jerarquía de buses (3)



Memoria
Principal

Procesador

Bus local

Cache/

Adaptador

Bus del sistema

SCSI

Firewire

Gráficos

Video

LAN

Bus del sistema

FAX

Interfaz con el

bus de
expansión

Bus de expansión

Tarjeta
Gráfica

Canales IDE

Modem

Serie

Interface Tarjeta Red

Procesador
Intel Pentium4

Chipset

Puente
“Norte”

Puente
“Sur”

Memoria
Flash BIOS

Memoria
DDR-DRAM

Canales Audio

Bus PCI

Puertos USB

Esquema típico de jerarquía de
buses en un ordenador. Los buses
de arriba son los más rápidos y el
bus de expansión el más lento.

Esquema de conexión de
componentes en un PC. El chip
“Puente Sur” agrupa los buses
más lentos y el “Puente Norte” los
más rápidos.

Cronogramas o Diagramas de
Temporización (1)

Muestran cómo ocurren las secuencias de
acciones y la relación causa-efecto entre
diferentes sucesos Muestran comunicación
entre dos dispositivos conectados a través de un
bus.

Las líneas de un bus tienen dos niveles de señal

o tensión 0 ó 1.

Cronogramas o Diagramas de
Temporización (2)

Flanco subida: transición señal 0 a 1.
Flanco bajada: transición señal 1 a 0.
Se requiere cierto tiempo para estabilizar las

transiciones de las señales (zona metaestabilidad).

Señal triestado: 0, 1 o alta impedancia

(desconectada).

Varias señales pueden formar grupos y se

representan como una línea compuesta.

Cronogramas o Diagramas de
Temporización (3)

La transición de una señal en un dispositivo

puede dar lugar a transiciones en las señales de
otros dispositivos.

En los buses denominados síncronos existe una

señal de reloj que sirve para sincronizar
sucesos.

Es una señal periódica y repetitiva.

Cronogramas o Diagramas de
Temporización (4)

Generalmente en los buses síncronos se lee el

valor de una señal a la subida o a la bajada de la
señal de reloj.

Cronogramas o Diagramas de
Temporización (5)

• Esquema cronograma
para una operación de
lectura síncrona.
• La CPU emite una
señal de lectura y coloca
dirección en bus
direcciones.
• Cada suceso ocupa un
ciclo de reloj.

Cronogramas o Diagramas de
Temporización (6)

• Esquema Cronograma para una operación de lectura
asíncrona.

• 1) El dispositivo Maestro
solicita acceso: indica hay
dirección y señales de control
válidas.
• 2) El Esclavo realiza la
tarea pedida y activa su señal
al terminar.
• 3) El Maestro coge el dato
válido y lo almacena y
desactiva señal.
• 4) El Esclavo detecta que el
Maestro ha desactivado su
señal y desactiva la suya.

ÍNDICE (1)
ÍNDICE (1)

INTRODUCCIÓN: estructura de un computador y máquina de Von

Neumann.

INTRODUCCIÓN A LOS BUSES:
Características y tipos de señales
Clasificación de buses
Jerarquía de buses
Crono
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