Modelos de arquitectura de Computadoras

ARQUITECTURA

Tanto la miniaturización como la estandarización de los CPU han aumentado la presencia de estos dispositivos digitales en la vida modernadedicadas. Los microprocesadores modernos aparecen en todo, desde automóviles, televisores, neveras, calculadoras, aviones, hasta teléfonos móviles o celulares, juguetes, entre otros.

Arquitecturas

TIPOS

Desarrollo de clases de procesadores baratos y estandarizados adaptados para uno o muchos propósitos. Esta tendencia de estandarización comenzó generalmente en la era de los transistores discretos, computadoras centrales, y microcomputadoras, y fue acelerada rápidamente con la popularización del circuito integrado (IC), éste ha permitido que sean diseñados y fabricados CPU más complejos en espacios pequeños (en la orden de milímetros).

Tipos

CARACTERÍSTICAS

Desde mediados de los años 1970, los microprocesadores de un solo chip han reemplazado casi totalmente todos los tipos de CPU, y hoy en día, el término "CPU" es aplicado usualmente a todos los microprocesadores.

Características

FUNCIONAMIENTO(ALU, UNIDAD DE CONTROL, REGISTROS Y BUSES INTERNOS)

Todos los CPU tienen como función principal la ejecución de un programa acorde a la aplicación del mismo. Un programa es un conjunto de instrucciones almacenadas de acuerdo al orden en que deben ejecutarse. Por lo tanto, toda computadora debe ser capaz de procesar las instrucciones de su programa en un ciclo de instrucción, consistente en un número de etapas que varia con cada CPU, pero que tradicionalmente han sido tres:

1. Búsqueda

2. Decodificación

3. Ejecución

Funcionamiento

CONCEPTOS BASICOS DEL MANEJO DE LA MEMORIA

CONCEPTOS BASICOS DEL MANEJO DE LA MEMORIA

Se produce bajo el control directo y continuo del programa que solicita la operación de E/S. tanto en la entrada y salida programada como con interrupciones, el procesador es responsable de extraer los datos de la memoria en una salida, y almacenar los datos en la memoria principal. El problema con la E/S es que el procesador tiene que esperar un tiempo considerable hasta que el modulo en cuestión esté preparado para recibir o transmitir datos

MEMORIA PRINCIPAL SEMICONDUCTORA

En las computadoras modernas, la memoria principal consiste casi exclusivamente en memoria de semiconductor volátil y dinámica, también conocida como memoria dinámica de acceso aleatorio o más comúnmente RAM.

Memoria principal semiconductora

MEMORIA CACHE

En informática, la caché es la memoria de acceso rápido de una computadora, que guarda temporalmente las últimas informaciones procesadas. La caché es una memoria que se sitúa entre la unidad central de procesamiento (CPU) y la memoria de acceso aleatorio (RAM) para acelerar el intercambio de datos.

Memoria caché

MODULOS DE ENTRADA/SALIDA

Módulos de E/S

Los dispositivos de entrada convierten la información en señales eléctricas que se almacenan en la memoria central. Los dispositivos de entrada típicos son los teclados, otros son: lápices ópticos, palancas de mando (joystick), CD-ROM, discos compactos (CD), etc. Hoy en día es muy frecuente que el usuario utilice un dispositivo de entrada llamado ratón.

ENTRADA/SALIDA PROGRAMADA

Los dispositivos de Entrada y Salida permiten la comunicación entre la computadora y el usuario.

E/S Programada

E/S MEDIANTE INTERRUPCIONES

E/S mediante interrupciones

El problema con E/S programada es que el CPU tiene que esperar un tiempo considerable a que el módulo de E/S en cuestión esté preparado para recibir o transmitir los datos.

El CPU ejecuta la transferencia de datos y después continúa con el procesamiento previo. Se pueden distinguir dos tipos: E/S síncrona y E/S asíncrona

E/S Síncrona: cuando la operación de E/S finaliza, el control es retornado al proceso que la generó.

E/S Asíncrona: retorna al programa usuario sin esperar que la operación de E/S finalice.

ACCESO DIRECTO A MEMORIA

El acceso directo a memoria (DMA, del inglés direct memory access) permite a cierto tipo de componentes de una computadora acceder a la memoria del sistema para leer o escribir independientemente de la unidad central de procesamiento (CPU) principal. El acceso directo a memoria es simplemente un acceso a memoria que se crea al particionar la memoria en bloques del mismo tamaño.

Acceso directo a memoria

CANALES Y PROCESADORES DE E/S

Canales y procesadores de E/S

En las entradas y salidas que se ejecutan desde el procesador entran tres conceptos que se deben conocer: el DMA, los Canales y las instrucciones

DMA

Con un incremento moderado de la lógica asociada con el periférico se puede lograr transferir un bloque de información a o desde la memoria principal sin la intervención directa de la UCP.

CANALES

El canal de E/S es una extensión del concepto de DMA. Un canal de E/S tiene la capacidad de ejecutar instrucciones de E/S, lo que da un control total sobre las operaciones de E/S.

Las instrucciones de E/S se almacenan en la memoria principal y serán ejecutadas por un procesador de propósito específico en el mismo canal de E/S.

TIPOS DE BUSES

BUS PARALELO

Es un bus en el cual los datos son enviados por bytes al mismo tiempo, con la ayuda de varias líneas que tienen funciones fijas. La cantidad de datos enviada es bastante grande con una frecuencia moderada y es igual al ancho de los datos por la frecuencia de funcionamiento

SERIE y PARALELO: los primeros transmiten bit a bit y los segundos varios bits a la vez.

MULTIPLEXADOS y NO MULTIPLEXADOS o DEDICADOS: los multiplexados realizan diferentes funciones en función de las necesidades del momento.

CENTRALIZADOS y DISTRIBUIDOS: necesidad de determinar qué elemento transmite y cuál recibe. Generalmente existe administración centralizada por la CPU o procesador.

SÍNCRONOS y ASÍNCRONOS (temporización): cómo ocurren los diferentes eventos (comienzo, fin,...) implicados en la transmisión de información. Utilización de una señal de reloj

Tipos de Buses

ESTRUCTURA DE LOS BUSES

Líneas de datos:

Líneas de dirección

Líneas de control

Datos: Llevan datos y también comandos para los dispositivos de entrada / salida, su amplitud influye en el rendimiento del bus, relacionado con el tamaño de palabra del sistema.

Direcciones: Llevan direcciones de memoria en acceso a memoria, o permiten seleccionar un dispositivo conectado al bus, su amplitud determina el espacio de direcciones tanto de memoria como entrada / salida

Control: Son señales de control de acceso y uso del bus, arbitraje del bus, sincronización de las comunicaciones, reloj del sistema.

Estructura de los Buses

JERARQUÍA DE BUSES

Jerarquía de Buses

Bus local: Conecta al procesador con la cache y con algún dispositivo e/s muy rápido.

Bus del sistema: Conecta al procesador (a través de la cache) con la memoria del sistema y con un segundo nivel de dispositivos de velocidad media.

Bus de expansión: Se conecta al bus del sistema y hace de interfaz entre este y los dispositivos más lentos

¿Cómo surgen?

Las interrupciones surgen de la necesidad que tienen los dispositivos periféricos de enviar información al procesador principal de un sistema informático.

El mecanismo de interrupciones fue la solución que permitió al procesador desentenderse de esta problemática, y delegar en el dispositivo periférico la responsabilidad de comunicarse con él cuando lo necesitara.

¿Cómo surgen?