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Arquitectura de computadoras

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by

jesus sandoval

on 12 May 2014

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Transcript of Arquitectura de computadoras

Unidad 1
Modelo de arquitectura de computo

Unidad 3
La computadora basada en un procesador

Unidad 4
Micro-controladores

Arquitectura de computadoras
UNIDAD 2
Comunicación interna de la computadora

1.1 Modelo de arquitectura de computo clasica:

Esta arquitectura fue utilizada en la computadora ENIAC. Consiste en unaunidad central de proceso se comunica a través de un solo bus con un banco dememoria en donde se almacenan tanto los códigos de instrucción del programa,como los datos que serán procesados por este.
1.2 Segmentadas

Las arquitecturas segmentadas o con segmentación del cauce buscan mejorarel desempeño realizando paralelamente varias etapas del ciclo de instrucción almismo tiempo. El procesador se divide en variasunidades funcionalesindependientes y se dividen entre ellas el procesamiento de las instrucciones
1.3 De multiprocesamiento

Cuando se desea incrementar el desempeño más haya de lo que permite latécnica de segmentación del cauce (limite teórico de una instrucción por ciclode reloj), se requiere utilizar más de un procesador para la ejecución delprograma de aplicaciónLas CPU de multiprocesamiento se clasifican de la siguiente manera:

SISO – (Single Instruction, Single Operand) computadoras independientes

SIMO – (Single Instruction, Multiple Operand ) procesadores vectoriales

MISO – (Multiple Instruction, Single Operand ) No implementado

MIMO – (Multiple Instruction, Multiple Operand ) sistemas SMP, Clusters
1.2Análisis de los componentes

1.2.1CPU

La Unidad Central de Proceso es el lugar donde se realizan las operaciones decálculo y control de los componentes que forman la totalidad del conjunto delsistema informático.

El microprocesador central de una computadora se divide en:
• Unidad de Control (Control Unit o CU en inglés).
• Unidad Aritmético-Lógica (Aritmethic Control Unit o ALU en inglés).
• Registros

Estructura del CPU
• El CPU debe:
– Extraer instrucciones
– Interpretar instrucciones
– Extraer datos
– Procesar datos
– Escribir datos

1.2. ARQUITECTURA DE LA MEMORIA

1.2.1ARQUITECTURA DE LA MEMORIA (ROM)

Existen cuatro partesbásicas: decodificador de renglones, arreglo de registros y buffer de salida:

•Arreglo de registros:
Almacena los datos que han sido programados en laROM.

•Decodificadores de direcciones:
El código de dirección aplicado A3, A2, A1, A0, determina que registro seráhabilitado para colocar su palabra de datos en 8 bits en el canal.

•Buffer de salida:
El registro habilitado por las entradas de selección coloca el dato que tienesobre el canal de datos.
ARQUITECTURA DE LA MEMORIA (RAM)

Como sucede con la ROM, es útil pensar que la RAM consta de varios registros,cada uno de los cuales almacenan una sola palabra de datos y tiene unadirección única.

•Operación de lectura:
El código de dirección selecciona un registro del circuito de memoria para leero escribir.

•Operación de escritura:
Para escribir una nueva palabra de cuatro bits en el registro seleccionado serequiere que R/-W igual a 0 y CS igual 0.

•Selección de CI:
Muchos circuitos de memoria tienen una o mas entradas CS que se usan parahabilitar o deshabilitar el circuito en su totalidad.

•Terminales comunes de entrada/ salida:
A fin de conservar terminales en un encapsulado de CI, los fabricantes amenudo combinan los funciones de entradas y salida de datos utilizandoterminales comunes de entrada/salida.
1.3 DISPOSITIVOS DE ENTRADA Y SALIDA

LOS DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SALIDA:Son aquellos que permiten la comunicación entre la computadora y el usuario.

DISPOSITIVOS DE ENTRADA:Son aquellos que sirven para introducir datos a la computadora para suproceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en lamemoria central o interna. Los dispositivos de entrada convierten lainformación en señales eléctricas que se almacenan en la memoria central.

DISPOSITIVOS DE SALIDA:Son los que permiten representar los resultados (salida) del proceso de datos.El dispositivo de salida típico es la pantalla o monitor.
2.1 Buses
BUS: Elemento responsable de establecer una correcta comunicación entre dos o más dispositivos del ordenador.
2.1.1 BUS LOCAL

Bus local o bus de la CPU. Es un bus muy rápido y conecta la CPU con las tarjetas de la placa base y los controladores de los dispositivos externos
2.1.2 BUS DE DATOS

Está formado por varias líneas de control, cada una de las cuales transporta un bit a la vez, el número de líneas depende del tamaño de la palabra.
2.1.3 BUS DE DIRECCIONES

El bus de direcciones, (también conocido como bus de memoria) transporta las direcciones de memoria al que el procesador desea acceder, para leer o escribir datos. Se trata de un bus unidireccional.
2.1.4 BUS DE CONTROL

El bus de control (en ocasiones denominado bus de comando) transporta las órdenes y las señales de sincronización que provienen de la unidad de control y viajan hacia los distintos componentes de hardware.
2.1.5 BUSES NORMALIZADO
Para facilitar la interacción entre componentes de distintos fabricantes los buses se han “normalizado”. Siguen un estándar acordado previamente.
2.2 Direccionamiento

El direccionamiento de la memoria puede considerarse desde dos puntos de vista:

Físico: Se refiere a los medios electrónicos utilizados en el ordenador para acceder a las diversas posiciones de memoria.

Lógico: A la forma en que se expresan y guardan las direcciones
2.2.1 MODO REAL
Esta forma de representación segmentada de las direcciones es en realidad una imagen de como son manejadas internamente en el procesador
2.2.2 MODO REAL VIRTUAL
Esta técnica consiste en hacer creer al programa que dispone de más memoria que la físicamente disponible en RAM.
2.2.3 MODO PROTEGIDO

Utiliza los registros de segmento como punteros a unos nuevos registros de dirección de 24 bits denominados tablas de descripción
2.3 TEMPORIZACIÓN

La temporización se utiliza para controlar periodos de tiempo, espera un tiempo estableció para hacer algo.

2.3.1 RELOJ DEL SISTEMA

Juega un papel decisivo en la sincronización de procesos, en la calendarización de trabajos por lote y para la asignación de turnos de ejecución entre otras tareas relevantes
2.3.2 RESET DEL SISTEMA

Iniciar el equipo o forma de mandar al equipo a su estado inicial.
1.- RESET DE ALIMENTACIÓN : Cuando se mantiene presionada la tecla de encendido por más de30 segundos.

2.- RESET EXTERNO : Cuando se presiona directamente el botón de reset que algunos ordenadores tienen.

3.-RESET DE NO ADECUADA OPERACIÓN DE LA COMPUTADORA: Cuando se reinicia el equipo por un error de software.

4.- RESET DE MONITOR DE RELOJ: Cuando el ciclo de reloj disminuye debido a la fuente de energía.
2.3.3.- ESTADOS DE ESPERA.

Cuando se conectan tarjetas de la PC, un problema común es igualar la velocidad de los ciclos del bus con la de las tarjetas. Es común que una tarjeta sea más lenta que el bus. Así, El bus de la PC está diseñado para resolver este problema
2.4 INTERRUPCIONES DE HARDWARE

INTERRUPCIÓN: Es el estado en el cual el microprocesador detiene la ejecución de un programa para atender una petición especial solicitada
2.4.1 ENMASCARABLES

El procesador puede aceptar o ignorar enmascarar) la señal de interrupción. Para ello se envía una señal a la patilla INTR , y el procesador la atiende o la ignora en función del contenido
2.4.2 NO ENMASCARABLES

No es enmascarable por lo que su atención es inevitable. Esto hace que, independiente de la estructura que se monte para las interrupciones enmascarables, puede pensarse que, NMI es siempre la interrupción más prioritaria ya que puede interrumpir la ejecución de cualquier servicio generado por INTR.
2.5 ACCESO DIRECTO A MEMORIA (DMA)

Se inventó con el propósito de liberar al CPU de la carga de atender a algunos controladores de dispositivos.
La memoria pueda realizar intercambios directamente con los periféricos sin intervención del procesador. Por ejemplo, el disco o una tarjeta de sonido, lo que conduce a un incremento del rendimiento del sistema
2.5.1 Sistema de vídeo.
El vídeo puede ser entrelazado o progresivo, el entrelazado fue inventado como un método de lograr una buena calidad visual dentro de las limitaciones de un estrecho ancho de banda
3.1 Chip Set:

Se trata de uno o varios circuitos integrados que se encuentra montados en la tarjeta principal. Es un chip encargado de la gestión de los componentes de la tarjeta que lo contiene.
Controlador de bus:
Es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de una computadora o entre computadoras. Está formada por cables o pistas en un circuito impreso, dispositivos como resistores y ordenadores además de circuitos integrados.
Puertos de entrada y salida

Cualquier dispositivo que intercambie datos con el sistema lo hace a través de un "puerto", por esto se denominan puertos de E/S ("I/O ports").
Los dispositivos E/S tienen algún tipo de conexión con el bus externo, deben tener una dirección (o conjunto de ellas) que los identifique.

Lo cuales pueden enviar/recibir información mediante una dirección. Hablar de un puerto E/S es casi siempre sinónimo de una dirección.
El controlador de interrupciones
es un módulo que tiene por función gestionar las interrupciones de entrada/salida para el procesador. Esto ahorra diseñar lógica al procesador. También proporciona flexibilidad porque permite idealmente, gestionar un número ilimitado señales de interrupción.
El controlador de DMA
es un dispositivo capaz de controlar una transferencia de datos entre un periférico y memoria sin intervención de la CPU, permite la transferencia de datos entre un periférico y la memoria
Circuitos de Temporizacion:

Los temporizadores son elementos que pueden proporcionar retardos para diversas aplicaciones, como controles de dispositivos externos, generar sonidos, etc. Con los microprocesadores clásicos, esto se podía obtener mediante el Timer de un circuito E/S VIA (versátil Interface adapter, por ejemplo, el 6522 de rockwell).
Controlador de videos
Es un circuito integrado que es el principal componente de un generador de señal de vídeo, un dispositivo encargado de la producción de una señal de vídeo en informática o un sistema de juego.El VDC siempre es el principal componente de la señal de vídeo generador de la lógica.
Aplicaciones de entrada

Se consideran aplicación de entrada y salida tanto a las unidades o dispositivos a través delos cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

A través de las aplicaciones podemos introducir a la computadora datos que nos sea útiles para la resolución de algún problema y por consiguiente obtener el resultado de dichas operaciones, es decir; poder comunicarnos con la computadora.
Almacenamiento

Son dispositivos que conectados a la computadora, permiten el almacenamiento de archivos. En general, hacen referencia a almacenamiento masivo, es decir, de grandes cantidades de datos. Las unidades de almacenamiento pueden ser externas o internas a la computadora
Fuente de alimentación

Componente fundamental en una computadora, ya que proporciona la energía eléctrica a cada uno de los componentes del sistema.Convierte el tipo de energía disponible en la toma de corriente (110-220v) a lo que sea utilizado por circuitos de la computadora
Ambiente de servicio

La tecnología en general ha sido la causa principal y la acción más directa para la transformación del trabajo de las organizaciones en la posguerra del siglo XX. Tanto los bienes de capital (computadores, teléfonos, videos, grabadoras, etc.), como los programas y sistemas de información y comunicación en general, han incrementado enormemente la productividad y eficiencia de las organizaciones.
INDUSTRIA: es el conjunto de procesos y actividades que tienen como finalidad transformar las materias primas en productos elaborados, de forma masiva. Existen diferentes tipos de industrias, según sean los productos que fabrican
COMERCIO ELECTRONICO: El desarrollo de estas tecnologías y de las telecomunicaciones ha hecho que los intercambios de datos crezcan a niveles extraordinarios, simplificándose cada vez más y creando nuevas formas de comercio, y en este marco se desarrolla el Comercio Electrónico.

TIPOS DE TRANSACCIONES DE COMERCIO ELECTRONICO:

Business to business” (entre empresa)
“Business to consumers” (Entre empresa y consumidor)
“Consumers to consumers” (Entre consumidor y consumidor)
“Consumers to administrations” (Entre consumidor y administración)
“Business to administrations” (Entre empresa y administración)
4.1 ARQUITECTURA

Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y unidades de E/S (entrada/salida).
4.1.1 TERMINALES

Dispositivo del hardware electrónico o electromecánico que se usa para introducir o mostrar datos de una computadora. Su función es mostrar y recibir datos con capacidad significativa del procesador de datos, puede ser llamado “Terminal inteligente o cliente ligero”.
Una computadora puede ejecutar software que envié la función de un terminal en cocaciones permitiendo el uso simultaneo de programas locales y acceso a un servidor.
4.1.2 CPU
Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software.
Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales.
RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo.
CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo).

Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macros
SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es “específico”, o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).
4.1.3 ESPACIO EN MEMORIA

Memoria En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos
4.1.4 Entrada /Salida
La principal utilidad de las patitas que posee la cápsula
que contiene un microcontrolador es soportar las líneas de E/S que comunican al computador interno con los periféricos exteriores.

Caracteristicas especiales:

Señal de Corriente de Entrada: Considerada como estímulo aplicado a un sistema desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una respuesta específica.

Señal de Corriente de Salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada

Compilador
permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador.
Depuración
Permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.
Simulador.
Permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos.
Placas de evaluación.
El sistema operativo de la placa recibe el nombre de programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del microcontrolador o modificar los valores almacenados los registros o en la memoria.
4.2 Programación
Emuladores en circuito
Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo hiciese el mismo microcontrolador que luego irá en el zócalo. Presenta en pantalla toda la información tal y como luego sucederá cuando se coloque la cápsula.
Ensamblador
permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares.
4.2.1 MODELO DE PROGRAMACIÓN

Influye
• Complejidad del programa
1. Costo de desarrollo
2. Legibilidad. Costo de mantenimiento

•Rendimiento
1. Influenciado por el modelo
2. por la implementación del modelo
3. Por la estructura de paralelización

Componentes
• Datos
• Procesos
• Comunicación
• Sincronización
• Entrada/salida

4.2.2 CONJUNTO DE INSTRUCCIONES

Es una especificación que detalla las instrucciones que una CPU de un ordenador puede entender y ejecutar, o el conjunto de todos los comandos implementados por un diseño particular de una CPU. El término describe los aspectos del procesador generalmente visibles a un programador, incluyendo los tipos de datos nativos, las instrucciones, los registros, la arquitectura de memoria y las interrupciones, entre otros aspectos.
4.2.3 MODOS DE DIRECCIONAMIENTO
Direccionamiento implícito
Depende solamente de la instrucción, es decir, la instrucción no lleva parámetros.
Particularmente en instrucciones que no accesan memoria, o bien que tienen una forma específica de accesarla
Modo registro
Usa solamente registros como operandos, es el más rápido, pues minimiza los recursos ecesarios (toda la información fluye dentro del EU del CPU)

Modo inmediato
Tiene dos operandos: un registro y una constante que se usa por su valor, el valor constante no se tiene que buscar en memoria, pues ya se obtuvo al hacer el “fetch” de la instrucción.

Modo directo
Uno de los operandos involucra una localidad específica de memoria

El valor constante se tiene que buscar en memoria, en la localidad especificada.

Es más lento que los anteriores, pero es el más rápido para ir a memoria, pues ya “sabe” la localidad, la toma de la instrucción y no la tiene que calcular.

Modo indirecto
Se usan los registros SI, DI como apuntadores

El operando indica una localidad de memoria, cuya dirección (sólo la parte desplazamiento) está en SI o DI.

Es más lento que los anteriores, pues tiene que “calcular” la localidad

Distintas formas de combinar los operandos según el acceso que se hace a memoria.
Una instrucción que lleve un parámetro, por lo tanto, usará un modo de direccionamiento, que dependerá de cómo direccionará (accesará) al parámetro; una instrucción de dos parámetros, combinará dos modos de direccionamiento
El lenguaje ensamblador es un tipo de lenguaje de bajo nivel utilizado para escribir programas informáticos, y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura de computadoras legible por un programador
4.2.4 LENGUAJE ENSAMBLADOR
4.3.1 COMO SISTEMA INDEPENDIENTE
Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:
• Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).
• Memoria RAM para Contener los datos.
• Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
• Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.

Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD:
•Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema
• Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.)

4.3.2 COMO SUBSISTEMA DE UNA COMPUTADORA
Las patitas de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine.
4.3 APLICACIONES
Jesus Palomares Sandoval
12250481 / T52
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