EL COMPUTADOR Contenido Mg. Ing. CIP. Francisco Mori L Organización y Arquitectura. I.Estructura y Función II.Generaciones III. Arquitectura del Microprocesador.

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1 EL COMPUTADOR Contenido Mg. Ing. CIP. Francisco Mori L Organización y Arquitectura. I.Estructura y Función II.Generaciones III. Arquitectura del Microprocesador

2 Conceptos Fundamentales a. COMPUTADOR: Dispositivo electrónico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando cálculos u operaciones sobre los datos, y codificados en el sistema de numeración binaria. b. ARQUITECTURA DE COMPUTADORES: Es el estudio de la estructura, funcionamiento y diseño de computadores. Esto incluye, aspectos de hardware, y también afecta a cuestiones de software de bajo nivel. c. MICROPROCESADOR: Es un C.I. que contiene elementos propios de la CPU. Esta compuesto por millones de transistores encapsulados en una pastilla de silicio, interactuando con otros componentes electrónicos, con magnitudes eléctricas determinados. d. FUNCIONAMIENTO DE LA PC. Toda PC funciona, con un esquema similar y muy simple, a través de los periféricos de entrada se introducen datos. Estos pasan a guardarse en los Device de almacenamiento y se transfieren a través de los buses de datos a la CPU. En la CPU se procesan y siguen el camino inverso al recorrido anterior, se guardan en la M.I. y restantes Device de almacenamiento y se difunden los resultados a través de los periféricos de salida.

3 EL COMPUTADOR EN BLOQUES Las funciones básicas en términos generales son: * Procesamiento de datos * Almacenamiento de datos * Transferencia de datos * Control. Funcionamiento de un Computador

4 a)Transferencia de datos desde un Device o línea de comunicación a otro. b) Almacenamiento desde un Dsp. Externo al almacén (leer) o viceversa (escribir). c) d) Procesamiento de datos en datos almacenados o en tránsito entre el almacén y el exterior. Transfe- rencia Control Procesa- miento Almacena- miento Transfe- rencia Control Procesa- miento Almacena- miento Transfe- rencia Control Procesa- miento Almacena- miento Transfe- rencia Control Procesa- miento Almacena- miento (a) (b) (c)(d) Operaciones posibles de un computador

5 Estructura del Computador CPU: Es el Up., controla el funcionamiento del computador y lleva a cabo las funciones de P.D. E/S: Transfiere datos entre el computador y el exterior, es decir se reciben o se llevan a un Device conectado al computador. M.P. Almacena datos. Sistema de interconexión: Mecanismo que proporciona comunicación entre la CPU, la MP, y la E/S.

6 Estructura de la CPU o UP La CPU–MPU-Up: Es un CI que interpreta y ejecuta instrucciones, se ocupa del control y el P.D. Para aceptar órdenes, datos y presentar los resultados, El Up. se comunica sus componentes internos a través de los buses internos, Hoy las PCs tienen muchos Micros, Primarios y Secundarios.

7 1. UC: Controla el funcionamiento de la CPU y, por tanto, del computador. pues: lee, decodifica Interpreta, temporiza, controla el secuenciamiento y ejecución de las instrucciones, conforme la evolución del registro CP. Trabaja en un ciclo constante, controlado por un reloj y envia señales de control) al resto de componentes para ejecutar la instrucción. Tambien Resuelve situaciones anómalas o de conflicto. ¿Cuales....? Ademas Atiende las interrupciones y controla la comunicación con los periféricos. Estructura Interna de la UC.

8 2. InterconexionesCPU:sonmecanismosqueproporcionan comunicación entre la UC., la ALU y los registros. Ejecución de una instrucción 3. ALU:Es un circuito simple capaz de realizar operaciones sencillas de PD, contenidas en las instrucciones. Además de proporcionar las direcciones lógicas a la UC. ¿Que otras responsabilidades tiene la ULA? Además puede incluir el Coprocesador Matematico – FPU El Floating Point Unit: Es un C.I. que se añade, opcionalmente, al Up. Para realiza operaciones con números en coma flotante. Mientras FPU esta trabajando, la ALU queda libre para realizar otras operaciones  Los Intel a partir del 80486DX tienen su propio FPU integrado.  La FPU tambien esta en otros componentes que igualmente descargan al Up. de realizar cálculos pesados, ¿Cuales son estos componentes?

9 4. Registros: Almacenan temporalmente la información en el Up. tiene poca capacidad pero alta velocidad para acceder a valores muy usados. Cuantos más registros contenga el Up. menos necesidad tiene de acudir a la MP. El CP es un registro del Up. que indica la posición donde está el Up. en su secuencia de Instr. Que capacidad tienen los registros? El RF: sirve de almacén para los operandos y para los resultados de las operaciones que realice la ALU. El micro 8086 tiene: Contador de programa. Acumulador Reg. de estado Reg. Internos de – Instrucciones, – Direcciones, – Datos. Reg. auxiliares: X, Y Reg. de pila SP.

10 Evolución de los Micros Intel 1982. Introducción de una ampliación del 8086, el 80286, que permitía direccionar una memoria de 16 Mbytes en lugar de sólo 1 Mbyte. 1985. Primera máquina de Intel con una arquitectura de 32 bits rivalizando con los computadores introducidos en el mercado pocos años antes. 1989. Aparición del 80486 que introduce el uso de tecnología de caché mucho más sofisticada y potente, e instrucciones de segmentación de cauce complejas. 1990 Sus características se ven en la tabla adjunta. 486T MSXPENTIUMPENTIUM PROPENTIUMIL Fecha de Introducción22/4/9122/3/931/11/857/5/97 Velocidad de reloj15-3Mhz60-166Mhz150-200Mhz200-300Mhz Ancho del bus32 bits 64 bits64 bita N° de transistores1.185 millones3.1 millones5.5 millones7.5 millones Memoria direccionable4 megabytes4 gigabytes64giagbytes64 gigabytes Memoria virtual64 gigabytes64 terabytes

11 Evolución de los Micros Intel 1993. Aparece el Intel Pentium, introduciendo el uso de técnicas superescalares, que permiten que varias instrucciones se ejecuten en paralelo. 1995. Intel presenta el Pentium Pro que continua la tendencia iniciada con el Pentium hacia la organización superescalar con el uso agresivo del renombrado de registros, predicción de ramificaciones, análisis del flujo de datos y ejecución especulativa. 1997. Aparición del Intel Pentium II que incorpora la tecnología MMX, que se diseño para procesar datos de video audio y gráficos.

12 Arquitectura en pipeline Los Micros previos al 8086, eran limitados en su desempeño por la necesidad de realizar dos pasos de ejecución del Up.: Fetch/Execute, En secuencia. Es decir, no se puede ejecutar una instrucción sin traerlo de memoria (Fetch); y no podía traerse instrucciones de MP mientras ejecutaba una instrucción, pues el Up. estaba ocupado. Un alto porcentaje del tiempo, el Up. estaba ocupado haciendo Fetch, cuando su función debiera ser ejecutar las instrucciones. Su capacidad de ejecución ocupaba un bajo porcentaje. Como solución, Intel desarrolló la arquitectura en pipeline del Fetch/Execute, que divide la tarea en dos secciones: Una encargada del Fetch (BIU) Y otra del Execute (EU).  Por ello, existen circuitos separados para cada función, que trabajan en paralelo.  Como el proceso aún es secuencial, solamente al principio se requiere desperdiciar tiempo en el Fetch.  A partir de ahí, Fetch va adelante del Execute, y trae instrucciones al Up. mientras este ejecuta las anteriores. ¿Qué relación existe entre instrucción, componentes y ejecución?

13 Arquitectura Del Up La unidad de interfaz con el Bus (BIU) es la responsables de la comunicación externa del procesador. La unidad de ejecución (EU) se encarga de realizar las operaciones aritméticas y lógicas, además de proporcionar las direcciones lógicas al BIU. 13

14 Las instrucciones que más se utilizan son las instrucciones de registros por lo que los fabricantes diseñan las arquitecturas del Up. según se administren los registros. 1. CISC: complex instruction set computer: En este tipo de arquitectura se utilizan instrucciones muy complejas por lo que el Up. tiene que realizar varios accesos a la memoria. Para la ejecución de las instrucciones se necesitan varios ciclos de reloj, lo que hace que sea más lento el ordenador. La microprogramación en casi todas las arquitecturas CISC, significa que cada instrucción de máquina es interpretada por un microprograma localizado en una memoria en el chip del procesador. Tienen un mercado de software muy difundido. Múltiples instrucciones (mayor a 100). Por ejemplo, Intel x86 posee alrededor de 700 instrucciones. Múltiples métodos de direccionamiento. Muchas instrucciones poderosas para implementar más directamente instrucciones de alto nivel. Teoría: pocas instrucciones máquina involucran tiempos de ejecución pequeños Ejemplos son: – Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486. – Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840 Arquitecturas De Up CISC & RISC

15 2. RISC: reduced instruction set computer Este tipo de arquitectura es el que actualmente se utiliza en los Up. En este tipo de arquitectura se utilizan instrucciones más sencillas que se pueden realizar en un solo ciclo de reloj. Debido a que se tiene un conjunto de instrucciones simplificado, éstas se pueden implantar por hardware directamente en la CPU, lo cual elimina la microprogramación y la necesidad de decodificar instrucciones complejas. Permite el uso de la técnica denominada Pipeline para paralelizar la ejecución de Instrucciones. Pocas instrucciones (menor a 50). Pocos métodos de direccionamiento (sólo directo e indirecto). Modelo de conjunto de instrucciones Load/Store (Cargar/Almacenar). Arquitectura no destructiva de tres direcciones. Ausencia de microcódigo. Ejecución en ciclos únicos (single-cycle).

16 Ejercicios Explicativos 16