PDF de programación - Tema 2 - Estructura de un ordenador

E. U. Politécnica

Ingeniería Técnica Industrial



FUNDAMENTOS DE INFORMÁTICA



TEMA 2

ESTRUCTURA DE UN ORDENADOR


1. La memoria principal

1.1. Tipos de memoria principal: RAM, ROM y caché
1.2. Esquema general de una unidad de memoria
1.3. Jerarquía de memoria

2. La unidad central de proceso (CPU)

2.1. La unidad aritmético-lógica
2.2. La unidad de control
2.3. Ejecución de una instrucción

3. El bus: la comunicación entre las distintas unidades
4. La placa base: la unión de todos los elementos
5. Apéndices

5.1. Evolución de los procesadores Intel utilizados en PC’s
5.2. Evolución de los buses de expansión



6. Informes propuestos en este tema


La estructura de un ordenador, atendiendo a sus unidades funcionales (siguiendo el
esquema de Von Neumann) estaría formado por: unidades de entrada, unidades de
salida, memoria, unidad de control y unidad aritmético-lógica.

Aquí se estudiará la composición y funcionamiento de las unidades no periféricas del
ordenador: la Unidad Central de Proceso (CPU), compuesta por la Unidad Aritmético-
Lógica (ALU) y la Unidad de Control (UC), y la memoria principal. Se aborda también
el estudio de la interconexión de las distintas unidades a través del bus.



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Figura 1. Esquema funcional de un ordenador



1. MEMORIA PRINCIPAL

La memoria principal es la unidad donde se almacenan los datos e instrucciones
necesarios para realizar un determinado proceso. Es rápida, y está estrechamente ligada
a las unidades funcionales más rápidas dentro de la computadora (la UC y la ALU).
Aquí es donde deben ser cargados los programas para poder ejecutarse.

La memoria principal está formada por circuitos electrónicos capaces de almacenar sólo
dos valores (0 ó 1) en cada elemento o celda de memoria. Una palabra de memoria es
el menor número de celdas de memoria que se pueden leer o escribir de una vez
(cuando se accede a la memoria no se accede a una sola celda, sino que se hace a un
conjunto consecutivo de ellas). Es decir, una palabra es el conjunto de bits que se leen o
escriben en memoria de una vez.

De esta forma, para acceder a la memoria no necesitamos numerar cada una de las
celdas individuales que almacenan un bit, sino cada uno de los conjuntos de celdas, es
decir, las palabras de memoria. Este número que identifica de forma única a cada
posición de memoria se denomina dirección de memoria, y mediante esa dirección se
puede acceder de forma directa a cualquiera de las posiciones de la memoria principal;
por esto se dice que la memoria principal es una memoria de acceso directo o memoria
accesible por dirección.

1.1. Tipos de memoria principal: RAM, ROM y caché

Dentro de la memoria principal podemos distinguir entre la memoria ROM (Read Only
Memory), la RAM (Random Access Memory) y la memoria caché.



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Figura 2. Esquema de funcionamiento de la memoria.



1.1.1. Memoria RAM

Se llama memoria de acceso aleatorio porque el usuario y los programas pueden
acceder a cualquier posición directamente, y el tiempo para acceder a la información no
depende de la posición que ocupe dentro de la memoria.

Existen varios tipos de chips para las memorias RAM:


• DRAM (RAM dinámicas): los datos desaparecen lentamente y es necesario
refrescarlos periódicamente (cientos de veces por segundo), por lo que
consumen una gran cantidad de energía y requieren un control constante. Entre
sus ventajas más importantes está el bajo coste en comparación con otras
tecnologías y además sus prestaciones son suficientemente rápidas como para
cubrir las necesidades de los procesadores actuales.

• SRAM (RAM estáticas): retiene datos mientras se suministre corriente. No
precisa de tanta electricidad como la anterior para el refresco y movimiento de
direcciones de memoria, por lo que funciona de forma más rápida. Sin embargo,
tiene un elevado precio, por lo que generalmente se reserva para ser utilizada en
la memoria caché de procesadores y placas base, cuyo tamaño suele ser muy
reducido comparado con la RAM del sistema


Los chips de memoria se agrupan en módulos, que se conectan a la placa base del
ordenador. Estos módulos permiten una sustitución o ampliación de memoria mucho
más sencilla. Según los tipos de conectores que lleven los módulos se clasifican en
módulos SIMM (Single In-line Memory Module), con 30 o 72 contactos y módulos
DIMM (Dual In-line Memory Module), con 72, 144, 168 (para SDRAM), 184 (para
DDR RAM) o 240 contactos (para DDR2 RAM). Los módulos DIMM incorporan
mejoras en la forma de acceso a los datos ya que puede comunicarse con el procesador a
64 bits en vez de los 32 bits de los SIMM.



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1.1.2. Memoria ROM

Memoria de solo lectura. Al igual que la RAM es de acceso directo, pero solo permite
acceso para lectura; su contenido lo graba el fabricante y el usuario solo puede consultar
esa información. En un ordenador, se suele almacenar en ROM el programa que permite
la puesta en marcha del ordenador, la carga del sistema operativo y el BIOS (Basic
Input/Output System, Sistema de Entrada/Salida básico), que contiene las rutinas para
acceder a los recursos del ordenador. Existen distintos tipos de memoria ROM,
dependiendo de la forma en que se graban:


• PROM (Programable ROM): son chips que permiten grabar una sola vez, y no

se pueden borrar.

• EPROM (Erasable Programable ROM): Permite el borrado del contenido
utilizando rayos ultravioleta, aunque esta operación sólo puede realizarse unas
pocas veces. La forma de borrar su contenido es hacer incidir luz ultravioleta
directamente a las celdas de memoria por una pequeña ventana, que
normalmente está tapada mediante un adhesivo.

• EEPROM: (Electricaly Erasable Programable ROM): Se borran eléctricamente,
y permiten grabar en ellas unas 100.000 veces. La mayoría de las placas madre y
controladoras actuales incluyen este tipo de memoria, para permitir la
actualización del software del fabricante que los manejan.

• Memoria flash: Está basada en las memorias EEPROM pero permite que
múltiples posiciones de memoria sean escritas o borradas en una misma
operación, frente a las anteriores que sólo permite escribir o borrar una única
celda cada vez. Por ello son más rápidas y baratas. Permiten un número limitado
de escrituras y borrados, generalmente entre 100.000 y un millón.


1.1.3. Memoria CACHÉ

Desde hace tiempo, se incorpora en los ordenadores un tipo de memoria mucho más
rápida que la memoria principal (aunque también más cara) y de menor tamaño,
denominada MEMORIA CACHÉ. Es una memoria de tipo SRAM, y se suele colocar
entre la CPU y la RAM, para acelerar la transferencia de datos o instrucciones entre la
CPU y la RAM.

La idea es la siguiente: al ser la caché mucho más rápida que la RAM, a la CPU le
cuesta menos tiempo escribir o leer un dato desde la caché. Para hacer que esto
funcione, es necesario cargar en la caché la parte de la RAM que esté utilizando la CPU
(la caché es de menor capacidad que la RAM). Cuando la CPU necesita un dato que no
está en la caché, primero hay que pasar el dato desde la memoria principal a la caché y
después de la caché a la CPU. De la misma forma, es necesario que si la CPU modifica
un dato y lo almacena en la caché, esta información debe ser también actualizada en la
memoria principal.

1.2. Esquema general de una unidad de memoria

La principal función de la unidad de memoria consiste en gestionar los procesos que se
encargan de almacenar y recuperar la información. El esquema general de una unidad de
memoria es:



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• Registro de Dirección de Memoria: Antes de realizar una operación de
Lectura/Escritura (L/E) se ha de colocar en este registro la dirección de la celda que
va a intervenir en la operación. Dependiendo del número de bits que contenga el
registro de dirección se tendrá una determinada capacidad de memoria (si RD es de
8 bits, se podrán codificar hasta 256 direcciones de memoria distintas).


• Decodificador de Dirección o Selector de Memoria: Se activa cada vez que se
produce una orden de L/E, conectando la celda de memoria, cuya dirección se
encuentra en el Registro de Dirección, con el Registro de Datos y posibilitando la
transferencia de los datos en un sentido u otro.


• Registro de Datos: En él se almacena el dato que se ha leído de memoria o el dato

que se va a escribir en memoria



Figura 3. Esquema de la unidad de memoria.


También existen líneas de control mediante las cuales se transmiten órdenes
procedentes de la unidad de control (señal de escritura/lectura, de funcionamiento, de
estado).

Para la lectura de un dato de memoria se siguen los pasos:



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1. Se pasa la dirección al registro de dirección.
2. Mediante el Decodificador se accede a la dirección.
3. Se pasa el dato que está en esa dirección al registro de datos.


Para la escritura de un dato en memoria se siguen los pasos:


1. Se transfiere la dirección en la que se va a escribir al registro de dirección.

2. Se transfiere el dato al registro de datos.
3. Se decodifica la dirección.
4. Se pasa el contenido del Registro de datos a la dirección que contiene el registro

de dirección.


1.3. Jerarquía de Memoria

Como se ha indicado anteriormente, existen muchas tecnologías para fabricar las
memorias. Desde el punto de vista de su utilización, estas tecnologías se caracterizan
por cuatro propiedades fundamentales:


• Capac