Básicamente, el funcionamiento de un ordenador se divide en cuatro grupos de tareas. El procesador recibe y procesa una serie de datos; la memoria almacena.

Presentación del tema: "Básicamente, el funcionamiento de un ordenador se divide en cuatro grupos de tareas. El procesador recibe y procesa una serie de datos; la memoria almacena."— Transcripción de la presentación:

1 Básicamente, el funcionamiento de un ordenador se divide en cuatro grupos de tareas. El procesador recibe y procesa una serie de datos; la memoria almacena la información, tanto la que aún está por procesar como la que ya ha sido procesado; los puertos de entrada reciben la información para procesarla o almacenarla y los puertos de salida la “sacan” del ordenador después de su procesamiento. Para que esta estructura funcione, todos los elementos que componen un ordenador deben comunicarse entre sí, de manera que la información pueda circular entre los distintos grupos de tareas. De esta comunicación interna se encarga el bus del sistema que interconecta los componentes básicos del PC. Cuando el PC está funcionando, el microprocesador es el encargado de gestionar la información que circula por el ordenador y de controlar gran parte de las tareas restantes llevadas a cabo por los otros componentes. Debido a la importancia de su trabajo, al microprocesador se le suele comparar con el cerebro de un ser humano aunque, como éste, no podría gobernar las funciones de todo el conjunto sin el apoyo del resto de los órganos. El funcionamiento del PC consiste en la ejecución de programas, lo que significa que se basa en la interpretación de una serie de instrucciones que recibe el microprocesador. Obviamente, estas instrucciones no salen de la nada, sino que le son facilitadas por la memoria. La intercomunicación entre la memoria y el micro se efectúa a través de buses de datos, que podrían definirse como una red de autopistas y carreteras que enlazan los distintos componentes del PC. Físicamente, tanto el procesador como la memoria, se conectan a la placa base, un circuito impreso de mayores dimensiones sobre el que se monta el PC. La placa base recibe la energía eléctrica que necesita para activar todos los componentes conectados a ella: el BIOS, las memorias, el microprocesador, etc., e integra los circuitos que los interconectan, que constituyen el bus del sistema.

2 Etapas del proceso informático
En este ejemplo elemental, se trata de que el ordenador calcule el valor medio de cinco números.

3 Sistema basado en microprocesador
Este esquema responde a la arquitectura de von Neumann, vigente desde 1.945, y que integra las unidades básicas del sistema: ▪ CPU, “cerebro del sistema” ▪ memoria, almacena datos e instrucciones ▪ puertos, para la conexión de las unidades de entrada/salida

4 Sistema típico basado en microprocesador

5 Estructura hardware de un ordenador
Se distinguen tres bloques fundamentales: ● Unidad Central de Proceso o CPU: es el cerebro del ordenador y controla todo lo que se produce en el sistema. A su vez se compone de otros tres bloques: ▪ Unidad de Control: coordina las operaciones que se llevan a cabo para el tratamiento de la información; es la encargada de interpretar el programa que se está ejecutando, controlando al mismo tiempo el trabajo de los periféricos asociados al sistema que están implicados en el desarrollo de cada operación. ▪ Unidad aritmético-lógica: su misión es la de efectuar las operaciones aritméticas y lógicas, solicitadas por la Unidad de Control, sobre los datos que recibe ▪ Memoria: permite el almacenamiento temporal de la información que manejan las unidades anteriores ● Memoria: como la anterior, pero externa a la CPU, almacena la información de los programas que se están ejecutando ● Periféricos de entrada y salida: son los dispositivos encargados de establecer la comunicación entre el interior y el exterior del ordenador

6 Sistema de microordenador típico

7 Señales analógicas vs señales digitales

8 El reloj como patrón de sincronía
El ordenador se puede considerar como una enorme máquina “secuencial síncrona”; el primer concepto quiere decir que la respuesta a una entrada o entradas no sólo depende de dichas entradas sino también de los estados anteriores por los que haya pasado, y el segundo concepto quiere decir que todas las actividades se efectúan simultáneamente y a intervalos de tiempo idénticos, patrón que procede de un reloj muy estable.

9 Señal del reloj La señal de reloj procede de un cristal de cuarzo con una frecuencia de vibración muy estable; esta frecuencia aumenta hasta el valor deseado al hacerla pasar por una serie de divisores. La señal de reloj, que sincroniza todos los elementos del ordenador, se caracteriza por su frecuencia (número de ocurrencias por segundo) y por su ciclo de trabajo (porcentaje del ciclo en el que la señal está activa).

10 Las partes de un ordenador
Los ordenadores están integrados por una serie de componentes electrónicos que son los responsables de su correcto funcionamiento. Entre ellos destacan: • Unidad central de procesos (CPU): es el cerebro del PC. Se encarga de procesar las instrucciones y los datos con los que trabaja el computador. El procesador es el dispositivo más importante y el que más influye en su velocidad al analizar información. • Memoria RAM o memoria principal: es la memoria de acceso aleatorio, en la que se guardan instrucciones y datos de los programas para que la CPU puede acceder a ellos directamente a través del bus de datos externo de alta velocidad. A la RAM se le conoce como memoria de lectura/escritura, para diferenciarla de la ROM. Es decir que en la RAM, la CPU puede escribir y leer. Por esto, la mayoría de los programas destinan parte de la RAM como espacio temporal para guardar datos, lo que permite reescribir. Como no retiene su contenido, al apagar el ordenador es importante guardar la información. La cantidad de memoria RAM influye bastante en la velocidad de un PC. Entre más memoria RAM tenga, más rápido trabaja y más programas puede tener abiertos al mismo tiempo. • Memoria ROM: es la memoria solo para lectura. Es la parte del almacenamiento principal del computador que no pierde su contenido cuando se interrumpe la energía. Contiene programas esenciales del sistema que ni la computadora ni el usuario pueden borrar, como los que le permiten iniciar el funcionamiento cada vez que se enciende el computador. • Disco duro: es el dispositivo de almacenamiento secundario que usa varios discos rígidos cubiertos de un material magnéticamente sensible. Está alojado, junto con las cabezas de lectura, en un mecanismo sellado en forma hermética, en el que se guardan los programas y todos los archivos creados por el usuario cuando trabaja con esos programas. Cuanta más capacidad tenga un disco duro, más información y programas puede almacenar en el PC. La capacidad del disco duro se mide en gigabytes (GB). Un GB equivale a megabytes (MB) aproximadamente.

11 • Caché: es una unidad pequeña de memoria ultrarrápida en la que se almacena información a la que se ha accedido recientemente o a la que se accede con frecuencia, lo que evita que el microprocesador tenga que recuperar esta información de circuitos de memoria más lentos. El caché suele estar ubicado en la placa base, pero a veces está integrado en el módulo del procesador. Su capacidad de almacenamiento de datos se mide en kilobytes (KB). Mientras más caché tenga el computador es mejor, porque tendrá más instrucciones y datos disponibles en una memoria más veloz. • Placa base: es la tarjeta de circuitos que contiene el procesador o CPU, la memoria RAM, los chips de apoyo al microprocesador y las ranuras de expansión. Estas son las que permiten insertar, por ejemplo, la tarjeta de sonido (que permite al PC reproducir sonido), el módem interno (que hace posible navegar por Internet) o la tarjeta gráfica o de video (que permite mostrar imágenes en la pantalla). • CD-ROM: esta unidad sirve para leer los discos compactos, sean estos programas, música o material multimedia (sonidos, imágenes, textos), como las enciclopedias y los juegos electrónicos. La velocidad de esta unidad depende de dos factores: la tasa de transferencia de datos y el tiempo de acceso. La tasa de transferencia de datos se refiere a la cantidad de datos que la unidad de CD ROM puede enviar al PC en un segundo. Esa tasa se mide en kilobytes por segundo (KBps) y se indica con un número al lado de un X, por ejemplo: 16X, 24X o 48X. Mientras más X, mayor velocidad. El tiempo de acceso se refiere a lo que tarda el proceso completo. • Unidad de disquete: esta unidad lee y escribe en los disquetes. Estos discos sirven para guardar y leer información, pero a diferencia del disco duro, que está fijo dentro del PC, se pueden introducir y sacar de la unidad, por lo que permiten transportar datos de un lado a otro. Los disquetes tienen una capacidad de almacenamiento de datos muy baja: 1.4 megabytes (MB).

12 Elementos de un PC

13 COMPONENTES PRINCIPALES DE LA CPU
De forma esquemática podemos suponer que un procesador se compone de cinco elementos: Memoria: el procesador necesita para su funcionamiento de ciertas áreas de almacenamiento, que aquí se llaman registros, y que son de dimensiones mínimas; sin embargo, tienen la ventaja de su rapidez.  Comparados con los accesos a RAM, los de registro son como mínimo 10 veces más veloces. Unidad Artimético-Lógica ALU ("Arithmetic and Logic Unit"): como su propio nombre indica, la ALU es responsable de realizar ciertas operaciones aritméticas y lógicas. En cuanto a las primeras, los primeros procesadores sólo eran capaces de realizar operaciones de aritmética básica con números enteros, y las operaciones con números fraccionarios debían hacerse mediante artificios software.  Esto motivó la aparición de procesadores específicos para estas operaciones, los denominados coprocesadores matemáticos.  A partir de la introducción del Intel el coprocesador matemático fue incluido en el procesador. La unidad aritmética de los procesadores actuales no solo puede realizar las operaciones aritméticas básicas con números enteros o fraccionarios, también ejecuta operaciones como raíz cuadrada y funciones trascendentes como cálculo del seno, coseno, tangente, arco tangente, logaritmos y exponenciación. Por su parte, la unidad lógica es la responsable de realizar operaciones lógicas como AND, OR, XOR, etc. Unidad de Control CU ("Control Unit"): funciona como árbitro de la operación del procesador.  Se encarga de coordinar que todos los elementos funcionen de forma armónica. Para la ejecución de una instrucción de lenguaje máquina se requieren una serie de operaciones elementales y de sucesos físicos en los diversos componentes del procesador.  Podríamos poner un ejemplo:  el procesador es un submarino en inmersión y el comandante da la orden de emerger.  Esto requiere una serie de operaciones;  los tripulantes deben abrir unas válvulas, cerrar otras; orientar el timón de profundidad; ajustar la velocidad, etc. etc.  En el procesador, la operación MOV AX, BX (mover el contenido del registro BX a AX), requiere también la operación de una serie de válvulas (aquí se llaman puertas lógicas) en un orden determinado.  El conjunto de operaciones necesarias para que se complete cada instrucción de lenguaje-máquina se conoce como microcódigo.  Es un programa de actuación cableado en silicio (firmware) o en una memoria interna especial del procesador CROM (Control Read Only Memory), y suele comenzar con las maniobras necesarias para traer ("Fetch") la próxima instrucción (señalada por el contador de programa IP), a un módulo de la CU denominado decodificador de instrucciones.  La Unidad de Control, responsable de que todas estas operaciones se ejecuten correctamente, es en realidad el poder ejecutivo de la UCP (siguiendo con nuestro símil, en las máquinas de von Neumann, el "Poder legislativo" sería el programa grabado en memoria).

14 Como todo lo demás que ocurre en el ordenador estas operaciones se ejecutan según el compás de las señales de reloj que llegan desde la placa-base.  En ocasiones se trata de un microcódigo complicado, para el que se necesitan varios ciclos de reloj.  Por ejemplo, en el 8080 (un antepasado del 8088 montado en los primeros PC's), el microcódigo de las instrucciones más complejas necesitaba nada menos que 18 ciclos de reloj (CLK) para su ejecución, frente a los 4 ciclos de las instrucciones más rápidas. Aunque el microcódigo se mejora constantemente, su simplificación tiene un límite, que marca el rendimiento del procesador.  Las únicas formas de acelerarlo es aumentar la frecuencia del reloj y el procesamiento paralelo y simultáneo de varias instrucciones.  Esta última capacidad requiere una arquitectura especial (superescalar) de los procesadores. Bus interno: Los diversos elementos de un microprocesador están interconectadas de forma muy compleja (el propio micro lo es).  En realidad existen varios buses principales, cuya anchura que es dos a cuatro veces la del bus externo de los PC's, y muchos más secundarios. Conexiones con el exterior: son los pines, que conectan con los buses de datos, direcciones y control

15 1. Unidad de control La unidad de control controla y sincroniza todas las transferencias de datos y sus transformaciones en el sistema. Utiliza entradas de reloj para generar señales de tiempos y de control que regulan los movimientos y transformaciones en el sistema asociadas con cada instrucción. La unidad de control acepta también, como entradas, señales de control generadas por otros dispositivos del sistema.

16 2. Unidad aritmético-lógica
La ALU realiza las operaciones aritméticas y lógicas con un o dos operandos. Uno de los dos registros, el acumulador, contiene un operando; el otro, un registro temporal, contiene el segundo. El resultado se coloca en el acumulador al final de la operación, reemplazando al operando original. Contiene también un cierto número de biestables, denominados flags, que contiene información relativa al resultado de la operación. También contiene lógica adicional para ajustar los resultados de operaciones llevadas a cabo con datos codificados en BCD (decimal codificado como binario).

17 3. Registros específicos
Los registros constituyen la memoria interna del micro, donde se almacenan instrucciones y datos temporalmente mientras una instrucción está siendo ejecutada.

18 Ciclos sucesivos de búsqueda y ejecución
La operación básica de un micro se regula mediante la unidad de control, es cíclica y consiste en la búsqueda y posterior ejecución secuencial de instrucciones. Cada ciclo de ejecución de instrucciones tiene dos estados primarios: el estado de búsqueda y el estado de ejecución. El estado de búsqueda transfiere una instrucción desde memoria al micro y el estado de ejecución realiza la instrucción. El micro está entre ambos estados hasta que se ejecute una instrucción de paro, en cuyo caso entra en el estado de paro y se detiene.

19 Posiciones de memoria La memoria está constituida por una serie de celdas capaces de almacenar palabras. Estas celdas se llaman posiciones de memoria y para acceder a una posición de memoria ha de indicarse su número a los circuitos decodificadores que habilitan el acceso; en su interior se almacena una palabra de varios bits que corresponderá un dato o a una instrucción.

20 Esquema de una interfaz de entrada/salida
Cuando la CPU ejecuta un programa que realiza operaciones con el mundo exterior a través de los periféricos, se dice que realiza transferencias u operaciones de entrada/salida. El objetivo de cada transferencia es llevar los datos desde el periférico a una zona concreta de la memoria y viceversa. Para ello la CPU programará las acciones a realizar en los controladores de E/S. Posteriormente, cuando el control tenga listos los datos que lee el periférico, la CPU se podrá encargar de la sincronización y de la transferencia a/desde memoria. Una interfaz de entrada/salida que controla uno o más periféricos tiene la estructura típica de la figura.

21 Ejemplo de cronograma: la instrucción "almacenar"
El cronograma es la representación de los sucesos en el tiempo. La sección de temporización y control del micro genera automáticamente los ciclos adecuados a partir de la información suministrada por el código de operación de la instrucción. Cada ciclo de instrucción (el tiempo necesario para la ejecución completa de una instrucción) comprende varios ciclos de máquina (operaciones de referencia a memoria) y cada ciclo máquina está dividido en varios ciclos de reloj.

22 Diagrama de tiempos de una operación de lectura de una ROM
Una ROM es una memoria de sólo lectura. El tiempo transcurrido desde la aplicación de una dirección a las entradas de direccionamiento hasta la aparición en las salidas de la memoria de una copia estable de los datos direccionados es el tiempo de acceso, tA.

23 Diagrama de tiempos de escritura para una memoria R/W
En las memorias de lectura/escritura, además de las líneas de direcciones, habilitación de chip y salidas de datos necesarias en las ROMs, se requieren un conjunto de líneas de entrada de datos y una línea de control que determina si la operación va a ser una lectura o una escritura.

24 Arquitectura del 8085 El 8085 era un micro desarrollado por Intel en tecnología NMOS, implementado con 6200 transistores, en un tamaño de 4,2 x 5,6 mm, contenido en una cápsula de 40 patas dual-in-line. El conjunto de instrucciones era de 74 y la alimentación a 5 V; operaba con una frecuencia de 3,125 MHz. Fue introducido en y constituyó la base de muchos ordenadores.

25 Microinstructor