Primera edici贸n
Estructura de los computadores
Javi Gombao
Introducci贸n
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Sección 1
Introducción
Generalidades Un computador es una máquina capaz de recibir instrucciones a través de algún medio, entenderlas y finalmente ejecutarlas. Es decir, es una máquina o dispositivo físico programable. Por tanto, se trata de una máquina digital, electrónica, programable para el procesamiento de información: 1. Digital: la información se almacena en forma de códigos (dígitos)
1. Conceptos básicos 2. Funcionamiento de un computador
2. Electrónica: construida utilizando componentes electrónicos (circuitos integrados).
1. Visión funcional
3. Programable: ejecuta instrucciones de una sucesión de órdenes preestablecidas
2. Visión estructural
4. Procesamiento de información:
3. Estructura de la arquitectura de Von Neumann 4. Funcionamiento de la máquina de Vonn Neumann
a. información: hechos y representaciones que pueden estar o no relacionadas entre sí. b. datos: información codificada para ser introducida en el computador
Definición de computador 1. Etapas de procesamiento de la información: a. Entrada: recogida de datos 2
b. Proceso: tratamiento de los datos
c) Dispositivos de comunicación: son todos aquellos que permiten la comunicación entre computadores: módem, tarjeta de red...
c. Salida: obtención de la información resultante Elementos de entrada, de procesamiento y de salida:
Entrada
Proceso
Salida
d) Dispositivos de almacenamiento: son todos aquellos que nos permiten almacenar datos en el computador: disquete, disco duro. e) Dispositivos de cómputo: son todos aquellos que realizan operaciones y controlan las demás partes del computador: CPU, memoria, bus de datos...
3. Arquitectura del Hardware
4. Tipos de ordenadores según la potencia de cálculo:
El hardware es la parte tangible del ordenador, es decir, a las partes físicas y accesorios complementarios que componen la Unidad Central de Procesamiento (CPU) así como los dispositivos externos. Si vemos el ordenador como una estructura de hardware, notaremos que está constituido por dispositivos que clasificaremos según la función que desempeñen. De acuerdo a esta clasificación tendremos:
- Super-computadores: diseñados para aplicaciones científicas, procesos complejos que requieren gran actividad de sofisticados algoritmos y de cálculos matemáticos. Éstos son los sistemas más grandes, rápidos y costosos. Este tipo de artefacto lo podemos encontrar, por ejemplo para realizar las previsiones meteorológicas o para construir modelos científicos a gran escala.
a) Dispositivos de entrada: son todos aquellos que permiten la entrada de datos al ordenador: teclado, ratón...
- Macro-computadores: ordenadores de grandes dimensiones diseñadas para manejar enormes cantidades de entrada, salida y almacenamiento, por ejemplo, transacciones bancarias. éstos son capaces de ejecutar varios programas de manera simultánea y trabajar con miles de usuarios a la vez.
b) Dispositivos de salida: son todos aquellos que permiten mostrar toda la información procesada por el computador: pantalla, impresora, altavoces...
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- Mini-computadores: es más pequeño y económico que un macro-computador, pero mayor y más potente que un computador personal. - Estaciones de trabajo: diseñados para apoyar una red de computadoras, permitiendo a los usuarios el compartir archivos, programas y aplicaciones y hardware. Son mini-computadores de bajo coste. En oras palabras, son micro-computadores de altas prestaciones destinado para el trabajo técnico o científico.
a. Procesamiento de datos b. Almacenamiento de datos c. Transferencias de datos entre el computador y el exterior d. Control de las operaciones anteriores. La excesiva generalidad de estas funciones se debe a que la especialización funcional de un computador ocurre cuando se programa y no cuando se diseña:
- Micro-computadores (sobremesa, portátil...): son sistemas pequeños de propósito general. Es más pequeña gracias a los microprocesadores. Puede funcionar como unidad independiente o estar en red con otras computadoras.
Recurso de almacenamiento de datos
Dificultades de estudio Es un campo extremadamente cambiante ya que la tecnología avanza a pasos agigantados. Ello repercute en el diseño y el funcionamiento del procesador, memoria y discos.
Sistema de transferencia de datos
Mecanismo control
Visión funcional Se estudia la operación individual de los componentes como parte de su estructura.
Recurso de procesamiento de datos
1. Las funciones de un computador son: 4
Visión estructural: Estudia la forma de como se relacionan los componentes unos con otros: - Sus principales componentes estructurales son: - Procesador: controla el funcionamiento del computador y procesa los datos. - Sub-sistema de memoria: almacena los datos. - Sub-sistema de entrada/salida: transfiere los datos entre el computador y el entorno externo. - Ruta de datos: interconexión entre las diferentes partes. Estructura del CPU: es un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los computadoras. El micro-procesador de la CPU está formado por una unidad aritmético-lógica (ALU) encargada de realizar operaciones aritméticas y lógicas, tales como la suma, resta, multiplicación, división y comparaciones y por una unidad de control (UC), encargada de coordinar las actividades de la computadora y determinar que operaciones se deben realizar y en que orden (controla todo el proceso del ordenador.
Así pues, el funcionamiento de la CPU es el siguiente: para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones, llamado bus. Dicho bus, conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento (por ejemplo, un disco duro), a los dispositivos de entrada (por ejemplo un teclado) y a los dispositivos de salida. Cuando ejecutamos un programa, el registro de la CPU, llamado contador del programa, lleva la cuenta de la siguiente instrucción, para garantizar que se ejecuten en la secuencia adecuada. La unidad de control de la CPU coordina y temporiza las funciones de la CPU, tras lo cual recupera la siguiente instrucción desde la memoria. En una secuencia típica, la CPU localiza la instrucción en el dispositivo de almacenamiento correspondiente. La instrucción viaja por el bus desde la memoria hasta la CPU, donde se almacena en el registro de instrucción. A su vez, el contador se incrementa en una para preparase para la operación siguiente. Posteriormente, la instrucción actual es analizada por un descodificador, 5
que determinará lo que hará la instrucción. Cualquier dato requerido por la instrucción es recuperado desde el dispositivo de almacenamiento correspondiente y se almacena en el registro de de datos de la CPU. A continuación, la CPU ejecuta la instrucción, y los resultados se almacenarán en otro registro o se copian en una dirección de memoria determinada. Según lo explicado anteriormente, la CPU utiliza la memoria (memoria central interna) de la computadora para guardar información mientras se trabaja con ella; mientras esta información permanezca en la memoria, el ordenador puede tener acceso a ella de forma directa. Esta memoria construida internamente se llama memoria de acceso aleatorio (RAM).
lectura. Como consecuencia, los datos de la memoria ROM están grabados en forma permanente y son introducidos por el fabricante de la computadora. - Memoria auxiliar (externa): es donde se almacenan todos los programas o datos que el usuario desee. Los dispositivos de almacenamiento o memorias auxiliares (externas o secundarias) más utilizados son las cintas magnéticas y discos magnéticos.
Estructura de la UC:
Dicha memoria interna, consta de dos áreas de memoria: - La memoria RAM (Randon Access Memory): recibe el nombre de memoria principal o memoria del usuario, en ella se almacena información sólo mientras la computadora está encendida. Cuando se aparaga o se arranca nuevamente el ordenador, dicha información se pierde, por lo que se dice que la memoria RAM es una memoria volátil. - La memoria ROM (Read Only Memory): es una memoria estática que no puede cambiar, es decir, el ordenador puede leer los datos almacenado en la memoria ROM, pero no se pueden introducir datos en ella o cambiar los estados que ahí se encuentran; por lo que se dice que esta memoria es solo de 6
Arquitectura y estructura
Máquina de Von Neumann
Cuando se describe un computador se diferencia entre su arquitectura y su organización o estructura. Así, se denomina arquitectura de un computador a los atributos del sistema visible al programador, es decir, que tienen impacto directo en la ejecución lógica de un programa. Por otro lado, denominamos organización de un computador a las unidades funcionales que lo componen y sus interconexiones, que implementan una determinada arquitectura.
- Realiza un determinado conjunto de operaciones básicas - Los datos y las instrucciones se almacenan en una sola memoria de lectura-escritura. - Los contenidos de la memoria se direccionan indicando su posición sin considerar el tipo de dato contenido en la misma. - La ejecución se produce siguiendo una secuencia de instrucciones tras otra instrucción, denominada programa.
La arquitectura del juego de instrucciones describe la estructura del computador desde el punto de vista del programador. Cuando una familia de procesadores ejecuta el mismo código binario, se dice que tienen la misma arquitectura, refiriéndose éste término más concretamente al ISA, repertorio de instrucciones: diseño al conjunto de instrucciones, interface del computador, relación con los compiladores. La organización de la máquina, se refiere al layout (esquema) e interconexiones de varias unidades funcionales: unidades funcionales y su interconexión, transparente al software y los componentes de hardware.
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La máquina de Von Neumann consta de los siguientes elementos: - Una memoria principal Almacena tanto datos como instrucciones. Está compuesta por un conjunto de celdas idénticas. En cualquier instante se puede seleccionar una de estas celdas, para lo que empleamos una dirección que tendrá asociada. Una vez seleccionada se podrá efectuar una operación de lectura, que nos permite conocer el valor almacenado en esa celda, o de escritura, que nos permite almacenar un valor. Estas celdas se utilizan para almacenar tanto datos como las instrucciones que forman parte de los programas. - Unidad aritmético lógica (ALU) Componente capaz de realizar operaciones aritméticas y lógicas en datos binarios. También posee registros para el almacenamiento temporal de la información.
- Unos elementos de entrada-salida (E/S) Están dirigidos por la unidad de control. Esencialmente realiza la función de comunicarse con las unidades exteriores (periféricos). Además, permitirá, por ejemplo, cargar datos y programas en la memoria, sacar los resultados impresos... - Una ruta de datos - Está constituida por los caminos de comunicación entre los diferentes dispositivos (buses). Físicamente, son un conjunto de conductores eléctricos paralelos que suelen estar incluidos dentro de la tarjeta del circuito impreso en la que está implantado el sistema. De este modo, el bus que conecta los componentes principales de un computador se denomina bus del sistema y posee los siguientes elementos: líneas de datos (bus de datos), lineas de direcciones (bus de direcciones) y líneas de control (bus de control).
- Una unidad de control UC Se encarga de interpretar las instrucciones en memoria y provoca su ejecución, es decir, de leer las instrucciones almacenadas en la memoria. Consecuentemente, genera señales de control necesarias para que el ordenador funcione correctamente y ejecute las instrucciones leídas de manera correcta. En definitiva: se encarga de evaluar el registro de estado. 8