PDF de programación - TEMA 3: Funcionamiento del ordenador

TEMA 3: Funcionamiento del

ordenador

Índice:

a) Unidades funcionales de un computador
b) Elementos del procesador
c) Ejecución de instrucciones
d) Programas e instrucciones
e) Periféricos

1. Unidades funcionales de un

computador

Como se indicó en el tema de introducción, el esquema general de un
ordenador es el siguiente:

Nos centraremos en este tema en ver la misión de cada una de las
unidades funcionales que componen un computador, siguiendo el orden
mostrado a continuación:



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• Procesador (CPU), compuesto a su vez por la unidad de control y

la unidad aritmético-lógica
• Memoria central o principal
• Memoria Masiva
• Periféricos, englobados en unidades de entrada y unidades de

salida

En este tema se tratarán en más detalle cada una de estos componentes.

Elementos del procesador

2.
Todos los elementos de la CPU están constituidos por circuitos
electrónicos. En este punto se tratará la estructura general de un
procesador, mostrada a continuación.

Antes de empezar a describir la estructura general de la CPU, conviene
señalar el concepto de palabra. Esto tiene que ver con el número de bits
que puede manejar, de una vez, el procesador. Así, se habla de
procesadores de 32 bits, 64 bits, etc. De esta forma, para el primer tipo
tendríamos palabras de 32 bits y para el segundo de 64.



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La ALU o unidad aritmético-lógica) se encarga de realizar operaciones
aritméticas (sumas, restas, productos, divisiones) y lógicas (p.e. ver si un
número es mayor que otro). La unidad de control es responsable del
funcionamiento general del ordenador, pues se encarga de la captación y
ejecución instrucciones; también se encarga (mediante las señales de
control) de la gestión periféricos en conjunción del controlador de
periféricos. El reloj de la CPU indica el tiempo que las señales eléctricas se
mueven por la CPU, marcando el ritmo de funcionamiento del sistema.
Corresponde al número de pulsos por segundo, expresados en múltiplos
de Hertzios (Hz). Por ejemplo, un ordenador de 2 GHz posee un reloj que
envía aproximadamente 2.000.000.000 pulsos por segundo.

El procesador dispone de un conjunto de registros, denominados registros
de uso general (R0 a Rm en la figura). Estos registros se utilizan como
almacén temporal de los datos con los que va a operar la ALU o de
resultados intermedios. También pueden dedicarse a almacenar
direcciones de memoria. La longitud de estos registros suele ser la de una
palabra, aunque es corriente que existan registros de distinta longitud,
así, en un computador de 32 bits, es habitual se puedan utilizar registros
de media palabra (16 bits), de palabra (32 bits) y de doble palabra (64
bits). Los lenguajes máquina suelen incluir instrucciones para realizar
operaciones con los registros (es decir, utilizando los datos almacenados
en ellos) y entre los registros y direcciones de memoria. Un registro
especial, denominado acumulador sirve para almacenar el resultado de
la última operación realizada en la unidad aritmético lógica.

NOTA: la memoria de los ordenadores se organiza de forma piramidal,
usando memorias de diferentes tecnologías. En la cima de la pirámide se
ubica la memoria más rápida: la de los registros de la CPU. A continuación
tendríamos la memoria caché, memoria principal y memoria masiva.
Según se baja en la pirámide se dispone de más capacidad de
almacenamiento, pero de menor rapidez de acceso.

Asociado al acumulador y a la ALU hay unos indicadores de condición que
se ponen a 1 ó 0 dependiendo de la última operación realizada en la ALU.
Entre los indicadores más usuales tenemos los siguientes:

• CY: Acarreo
• AC: Acarreo auxiliar (acarreo de los 4 bits menos significativos, útil

para operar en BCD)

• S: Indicador de signo (si el resultado de la última operación

realizada por la ALU es negativo, entonces S tendrá el valor 1)

• Z: Indicador de cero (si el resultado de la última operación realizada

por la ALU es 0, entonces Z tendrá almacenado el valor 1)

• P: Indicador de paridad.



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•

Indicador de desbordamiento, indicando que la última operación
realizada ha generado un número de bits mayor que el que se
puede tratar

El conjunto de estos biestables forma lo que se denomina palabra de
estado (o SW, Status Word).

La memoria principal se conecta a la CPU mediante dos buses, tal y como
se puede apreciar en la imagen siguiente. Uno de ellos se utiliza para
almacenar la dirección de la posición de memoria a acceder y otro para
recuperar el valor almacenado en dicha posición (en caso de tratarse de
una lectura) o donde se encuentra el dato a guardar (en caso de tratarse
de una escritura). Además dispone de una señal de control (comúnmente
denominada R/W) para especificar el tipo de operación a efectuar: lectura
o escritura. Se explicará a continuación la forma en que se realizan ambos
tipos de operaciones. El funcionamiento general se basa en la utilización
de dos registros especiales: RM (registro de memoria) y DM (registro de
dirección de memoria).



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a) Operación de lectura. Supongamos que se desea leer el
contenido de la posición 4550 de memoria. Para ello el valor
4550 (obviamente, en binario) se introducirá en el registro
DM. La unidad de control activará la señal R/W indicando que
se trata de una operación de lectura. Al activarse esta señal el
contenido de la posición 4550 se encamina al registro RM.

b) Operación de escritura. Ahora se pretende guardar el valor 8
en la posición 4550. El valor 8 habrá que guardarlo en el
registro RM, mientras que la dirección de la celda de memoria
a acceder, como en el caso de la operación de lectura, se
guardará en el registro DM. Una vez almacenados estos
valores en los registros pertinentes la unidad de control activa
la señal R/W indicando la realización de una operación de
escritura. Al recibir esta señal la memoria tomará el dato en
RM y la dirección de DM y procederá a almacenar el valor 8 en
la posición indicada.

Como ya se indicó en el tema de introducción, la CPU está formada por la
UC (Unidad de Control) y la ALU (Unidad Aritmético-Lógica). La UC utiliza
un registro denominado registro de instrucción (Instruction Register, o
IR), dedicado a memorizar temporalmente la instrucción del programa que
la unidad de control está interpretando o ejecutando. Hemos de recordar
que el programa a ejecutar reside en la memoria principal, y la unidad de
control va captando o buscando las instrucciones, una tras otra, de la
memoria principal, para poder interpretarlas y generar las órdenes de
ejecución.

La captación de la instrucción implica leer la instrucción de memoria y
almacenarla en el registro de instrucción.
Pero para obtener la
instrucción, la UC debe, de alguna forma, saber el punto del programa que
está en ejecución, o, en otras palabras, conocer la dirección de memoria
donde se encuentra la instrucción en ejecución. Para este fin se utiliza el
registro del contador de programa (Program Counter o PC). Se trata de
un registro contador que contiene, en todo momento, la dirección de
memoria donde se encuentra la siguiente instrucción a ejecutar. Estas
características se repiten sea cual sea la familia de procesadores
considerados. Se incluyen a continuación las imágenes de algunos de los
procesadores actualmente a la venta y de otros ya en desuso.
Ejecución de instrucciones
3.

En esta sección se explicará la forma en que todo este conjunto de
circuitos son capaces de ejecutar un programa. Se irá explicando el
procedimiento paso a paso:



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1) Para iniciar la ejecución de un programa hay que almacenar en el
registro contador de programa (PC) la dirección de memoria donde
se encuentra almacenada la primera instrucción de dicho programa

2) El contenido del registro contador de programa (PC) se lleva hasta
el registro de dirección de memoria (DM), ya que habrá que leer
dicha posición de memoria. En esta posición se encuentra
almacenada la primera operación a realizar por el programa (el
movimiento del contenido del contador del programa hasta el
registro de dirección de memoria se denota como: DM <- PC)

3) La unidad de control da a la memoria la orden de leer (R/W = 1)

4) Después de un tiempo determinado (tiempo de acceso a memoria,
es decir, el tiempo que la memoria tarda en realizar la operación
solicitada), en el bus de entrada/salida de memoria, aparecerá la
información contenida en la posición de memoria cuya dirección
estaba almacenada en el registro PC; es decir, la primera
instrucción del programa

5) Esta información se carga en el registro de memoria (RM) (para
indicar de forma abreviada que en el registro RM se encuentra el
contenido de la posición de memoria almacenada en DM, se usa la
notación: RM <- M(DM)).

6) Posteriormente, la información contenida en RM, esto es, la
instrucción inicial del programa, se carga en el registro de
instrucción (IR) (IR <- RM).

7) Al mismo tiempo, para favorecer el funcionamiento continuo del
procesador, también el contenido del contador de programa es
incrementado (PC <- PC+1), apuntando así a la siguiente
instruc