PDF de programación - Introducción - Estructura de Computadores

Estructura de Computadores
Estructura de Computadores
Estructura de Computadores
Estructura de Computadores

INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN

Índice
Índice

j

 Objetivos
 Bibliografía recomendada

 Esquema básico del computador Von Neumann Componentes
 Esquema básico del computador Von Neumann. Componentes

Introducción

●
●

La Memoria Principal
La Unidad Central de Proceso (CPU)
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
• Registros
• Unidad de Control
•

Fases de ejecución de una instrucción

● Unidad de Entrada-Salida

 Software de sistemas
 Software de sistemas
 Parámetros característicos
 Ejemplo

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2

Objetivos
Objetivos

 Visión general de la estructura del computador
Visión general de la estructura del computador
digital:
● Arquitectura Von Neumann
● Componentes
● Ejecución de instrucciones

V N

A

it

t

 Software de sistemas

S ft

i t

d

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Bibliografía
Bibliografía

 de Miguel, P. "Fundamentos de los computadores",

Paraninfo 2004 9ª edición
Paraninfo, 2004. 9 edición.

Stallings W "Organi ación arq itect ra de
 Stallings, W. "Organización y arquitectura de
computadores", Prentice Hall, 2006, 7ª Edición.

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4

Introducción
Introducción

 Función básica

Ejecución de instrucciones elementales, en las que
están especificados:
● Operación a realizar
● Datos o su localización
●

Localización del resultado

Instrucciones máquina

q

Arquitectura Von Neumann
 Arquitectura Von Neumann
● Datos e instrucciones almacenados en memoria única de

lectura/escritura
lectura/escritura

● Contenido de la memoria accesible por direcciones
● Ejecución implícitamente secuencial

p

j

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Esquema básico del computador Von Neumann.
Esquema básico del computador Von Neumann.

Componentes

CPU

Registros
Registros

Direcciones

ALU

U. Control

Datos

Control

Unidad de E/S

Memoria

Principal

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La Memoria Principal
La Memoria Principal

Dirección

10111....11
10001....10

Contenido

r1+r2 -> r1
r1 -> mem(100)

Instrucciones

-2
"A"

Datos

CPU
P

0
0
1

Dirección (n bits)
Dirección (n bits)

Datos (m bits)

100
101

2 -1n

RD
WR
MEMRQ
MEMRQ

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

11111....10
01000....01

Control

m bits (tamaño de palabra)
m bits (tamaño de palabra)

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Organización del espacio de memoria
Organización del espacio de memoria

CódiCódigo

D t
Datos estáticos

táti



Datos dinámicos

Pila

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Unidad Central de Proceso (CPU)
Unidad Central de Proceso (CPU)

 Unidad de Control
Unidad de Control
● Extrae de Mp la instrucción a ejecutar
● La analiza (decodifica)
● La analiza (decodifica)
● Da las órdenes al resto de componentes

 Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
)

ó

é

(

d
 Registros

Realiza la operación indicada por la UC sobre los
t d
datos de entrada
d t
g
Memoria a corto plazo

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CPU

Unidad Aritmético-Lógica (ALU)

Modelos de ejecución:

• Registro-Registro
• Registro-Memoria
i
• Memoria-Memoria

R i

M

Opalu

Registro de estado (RE)

ESC
ESCre

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CPU

Unidad Aritmético-Lógica (ALU)

Modelo Registro-Registro

Opalu
Opalu

Registro de estado (RE)

ESCre
ESCre

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CPU

Registros

 De propósito general
 De propósito específico
De propósito específico
 Transparentes

p

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12

CPU

Registros de propósito general (BR)

de la ALU
de la ALU

de Mp (ld)
)

p (

SELmux_regs

SELA

SELB
ESCbr

R0
R1
R2
R2
..
..
..
..

A
A

B
B

a la ALU

a Mp (st)

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CPU

Registros de propósito específico

Contador de programa

de la Mp
p

ESC
ESCpc

Registro de estado

ESCre
ESCre

SELmux_pc

+n

PC

n

dirección de Mp

de la ALU

RE
RE

M

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a la ALU y U. Control

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CPU. Registros transparentes

p

g

Registro de instrucción

Registro de direcciones

de la Mp

m

RI

ESCri
ESCri

a la U. control

C.O. operandos

ESCar

de la Mp (ld o st)

del PC

SELar

BUS de direcciones

A
R

Registro de datos

BR, PC, RI, AR

BR

ESCdr2

ESCdr1(ld)

BUS de datos

D
R

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CPU

Unidad de Control

RI

RSRE

Unidad de control

C
F

Reloj

. . . . .

. . . . .

RD WR MEMRQ

OPalu SELregs

ESCar

ESCdr1

Señales de control
Señales de control

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CPU

Unidad de Control

RI

RE
RS

Unidad de control

C
C
F

Reloj

. . . . .

. . . . .

RD WR MEMRQ

OPalu SELregs

ESCar

ESCdr1

Señales de control

Juego de instrucciones:

• Transferencia (ld, st, mov, in, out)
• Procesamiento (add, and, shift)
)
• Salto (jump, jumpz, call, ret)

(

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Fases de ejecución de una instrucción
Fases de ejecución de una instrucción

Comienzo

Búsqueda de instrucción

(Fetch)
(Fetch)

Decodificación

Ejecución

Preparación

siguiente instrucción

Finalización

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Fases de ejecución de una instrucción
Fases de ejecución de una instrucción

Comienzo

Búsqueda de instrucción

(Fetch)
(Fetch)

Decodificación

Buscar operandos

Ejecución

Operación

Almacenar resultados

Preparación

siguiente instrucción

Finalización

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Diagrama simplificado
Diagrama simplificado

BR
BR

A

B

ALU
ALU

RE
RE

RI
RI

Unidad de
control
. . . . . . .

OpALU

ESCRE

SELA

PC

+n

D
R

Bus
datos

Bus
direcciones

A
R

M
e
m
o
r
i
i
a

MEMRQ, RD, WR

Bus
control

S ñ l
Señales de control: Internas/Externas

l I t

/E t

d

t

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Ejemplo de instrucciones a ejecutar
j

p

j

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Unidad de Entrada/Salida
Unidad de Entrada/Salida

CPU

Direcciones
Direcciones

Datos

Control

Módulo de E/S

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Unidad de Entrada/Salida
Unidad de Entrada/Salida

 Direccionamiento de los dispositivos

t d l

iti

di

Di

i

i

 Modos de realizar la operación de E/S

● Programada
● Mediante interrupciones
● Mediante interrupciones
● Por acceso directo a memoria (DMA)

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Entrada/Salida mediante interrupciones
Entrada/Salida mediante interrupciones

Periférico

INT

dato listo

CPU

Inicio operación E/S

Ejecución programa P:

i1
i1
i2
i3
i4
i4

. . . . . .

Rutina tratam.
. . . . . . . . .
transferencia
dato a Mp
. . . . . . . . .
RTI

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Entrada/Salida por DMA
Entrada/Salida por DMA

Periférico

transferencia
bloque de datos a Mp

fin de la transferencia
del bloque

INT

CPU

I i
ió E/S
Inicio operación E/S

i

Ejecución programa P:

i1
i1
i2
i3
i4
i4

. . . . . .

Rutina de tratam.
. . . . . . . . .
comprobación
de transferencia
correcta
correcta
. . . . . . . . .
RTI

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Software de sistemas
Software de sistemas

 Compiladores y Ensambladores
Compiladores y Ensambladores
 Montadores (linker)
 Cargadores (bootstrap)
Cargadores (bootstrap)
 Depuradores
 Editores de texto
 Editores de texto
 Sistema operativo

● Gestión de recursos (CPU Mp E/S)
● Gestión de recursos (CPU, Mp, E/S)
● Ocultar la complejidad de los periféricos
● Protección de recursos
Protección de recursos

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Parámetros característicos
Parámetros característicos













p

8, 16, 32, 64 bits

K, Mega, Giga, Tera, Peta bytes

Ancho de palabra
●
Tamaño de la memoria
●
Frecuencia de reloj
● Mega hercios (MHz) Giga hercios (GHz)
● Mega hercios (MHz), Giga hercios (GHz)
Duración de las operaciones
( ), p
● mili (m), micro (u, ), nano (n), pico (p), fento (f) segundos
Capacidad de cómputo (velocidad)
● MIPS, MFLOPS, specint, specfp
Ancho de banda (caudal)
●

KB/s (KBps), MB/s (MBps), Kb/s (Kbps), Mb/s (Mbps)

( , ),

(

),

(p),

( )

g

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