Arquitectura del Computador

NDICE:

Introduccin

1. La arquitectura de von Neumann.

1.1El modelo de von Neumann

1.1.1 Estructura (computadora)

1.1.2 Estructura (CPU)

1.1.3 Estructura de una mquina von Neumann

1.1.4 Ciclo de instruccin

1.1.5 Ciclo de Ejecucin

1.1.6 Tipos de Operaciones

2. Componentes de un ordenador con La arquitectura de von

Neumann.

2.1 La Memoria.

2.1.1 La memoria Principal.

2.1.2 La Memoria Cache.

2.1.3 La Memoria Secundaria o Perifrica.

2.2 Unidad Central de Procesos.

2.3 Perifricos E/S.

2.4 Los Buses.

2.5 Funcionamiento general de este tipo de arquitectura.

Conclusin:

INTRODUCCIN:

El ordenador o computador es una maquina electrnica de proceso de datos de

uso general que trabaja a gran velocidad y con una gran fiabilidad. Las

operaciones que efecta se le indican con las instrucciones que componen los

programas.

La parte fsica de un ordenador se denomina Hardware, La parte lgica (Datos

e instrucciones) se le denomina Software.

La arquitectura actual de los ordenadores, se basa en los principios de la

arquitectura de Jhon Von Neuman los cuales son:

- Una sola memoria fsica para los datos y programas.

- Los contenidos de la misma se direccionan indicando su posicin, sin

considerar el tipo de dato contenido en la misma.

- La ejecucin de las instrucciones es secuencial, salvo que una instruccin

ordene romper la secuencia.

El primer ordenador en utilizar la arquitectura de Von Neuman, fue el EDVAC en el

ao 1947, aunque la arquitectura ha ido evolucionando.

Al inicio de la informtica se propusieron otro tipo de arquitecturas, como la

arquitectura de Harvard la cual propona memorias fsicas separadas para los

datos e instrucciones. Esta arquitectura se utiliza actualmente en el diseo de las

memorias cache de primer nivel y en las maquinas especializadas en el proceso

digital de seales.

La arquitectura de un computador est orientada a conseguir que este funcione

con eficacia al menor coste. Las funciones bsicas de un ordenador son:

Procesar Datos: El ordenador efecta operaciones aritmticas y lgicas sobre

los datos almacenados en memoria principal.

Almacenar Datos: Guarda los datos sobre los cuales el ordenador est

trabajando.

Transferir datos: Los datos son transferidos entre el ordenador y el exterior, y

entre sus componentes. La comunicacin con el exterior se realiza utilizando

los dispositivos de E/S del ordenador y la Interna Utilizando los buses.

Control: Las tres funciones anteriores son controladas por el mismo ordenador

siguiendo las instrucciones que componen el programa que se ejecuta.

En la arquitectura de Von Newman aparece un tipo de componente especfico

para cada una de estas funciones.

1. La Arquitectura De Von Neumann.

El nacimiento u origen de la arquitectura Von Neumann surge a raz de una

colaboracin en el proyecto ENIAC del matemtico de origen hngaro, John Von

Neumann.

Este trabajaba en 1945 en el laboratorio atmico de Los lamos cuando se

encontr con uno de los constructores de la ENIAC. Compaero de Albert

Einstein, Goedely Turingen Princeton, Von Neumann se interes por el problema

de la necesidad de "recablear" la mquina para cada nueva tarea.

En 1949 haba encontrado y desarrollado la solucin a este problema, consistente

en poner la informacin sobre las operaciones a realizar en la misma memoria

utilizada para los datos, escribiendo la de la misma forma, es decir en cdigo

binario (Computadora EDVAC).

La arquitectura Von Neumann es un modelo de organizacin en arquitecturas de

computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para

las instrucciones como para los datos (a diferencia de la arquitectura Harvard).

1.1 El modelo de von Neumann

Antes programar era conectar cable.

Hacer programas era ms una cuestin de ingeniera electrnica.

Cada vez que haba que calcular algo distinto haba que reconectar todo.

1.1.1 Estructura (computadora)

Caractersticas principales

3 componentes principales:

CPU:

Unidad de Control, Unidad aritmtica lgica (ALU), Registros

Memoria principal:

Almacena programas y datos

Sistema de Entrada/Salida

o Procesamiento secuencial de instrucciones

o Datos binarios

o Un sistema de interconexin

Conecta la memoria y unidad de control.

Fuerza la alternacin entre ciclos de lectura y ejecucin.

1.1.2 Estructura (CPU)

Unidad de Control (UC)

o Controla todos los componentes.

o Interpreta instrucciones.

Decodifica y Ejecuta instrucciones. Transforma instrucciones en rdenes a

otros componentes.

Puede ser programada por hardware (cableada) y microprogramada

(varios microinstrucciones por instruccin)

Unidad Aritmtica Lgica (ALU)

o Realiza operaciones matemticas y lgicas.

Sumas, restas, multiplicaciones

And, Or, Xor

Corrimientos

Registros

o Almacenan datos binarios, acceso rpido

o De tamao fijo

o De propsito general (programas) o especficos (acumulador, program

counter, puntero a memoria, etc.)

DataPath

o Red interna que comunica la UC con las otras unidades y registros

o Mueve datos entre los diferentes componentes

o Controlada por un reloj.

1.1.3 Estructura de una mquina von Neumann

1.1.4 Ciclo de instruccin

1.1.5 Ciclo de Ejecucin

La unidad de control levanta la prxima de memoria usando el contador de

programa (o RPI) que dice en qu direccin est la prxima instruccin.

La instruccin es decodificada a un lenguaje que entiende la ALU (unidad

aritmtica lgica).

Cada operando requerido para ejecutar es levantado de la memoria principal y

ubicado en registros dentro de la CPU.

La ALU ejecuta la instruccin y coloca los resultados en registros o en memoria.

1.1.6 Tipos de Operaciones

o Procesador-memoria.

Transferencia de datos entre la CPU y la memoria

o Procesador-E/S.

Transferencia de datos entre la CPU y un mdulo de E/S

o Procesamiento de datos.

Alguna operacin aritmtica o lgica sobre los datos.

o Control.

Alteracin de la secuencia de operaciones.

3. Componentes de un ordenador con La arquitectura de von

Neumann.

Los componentes de un ordenador con arquitectura de Von Neumann son:

La memoria: Es donde se almacenan los datos y las instrucciones que componen

los programas. Es vista por el procesador como un conjunto de compartimentos

numerados donde puede leer y escribir informacin.

El procesador: Es el encargado de ejecutar las operaciones que indican las

instrucciones de los programas y controlar el resto del ordenador para que se

cumplan estas instrucciones. Est compuesto de dos partes:

La Unidad de Control: Se encarga de descodificar las instrucciones y emitir las

seales de control apropiadas para que se ejecuten.

La Unidad de ejecucin: Es la que realmente ejecuta las operaciones que

indican las instrucciones, conforme a las seales que recibe de la unidad de

control.

La arquitectura original de Von Newman considera estas dos unidades como

elementos diferentes.

Los dispositivos de E/S: Proporcionan al ordenador la comunicacin con el

exterior y la capacidad de almacenamiento permanente de informacin.

Ejemplo:

El teclado, un disco duro, la impresora, etc.

El bus del sistema: Es el elemento que interconecta los componentes del

ordenador y permite la comunicacin entre ellos.

3.1 La Memoria.

Almacena los datos y los programas que utiliza el procesador.

Existen diferentes tipos de memorias que se diferencian entre ellas en su

capacidad y en la velocidad de acceso. Siendo las memorias ms rpidas, las de

menos capacidad.

La memoria se organiza de forma jerrquica. Se reparte entre los dispositivos de

forma que se consiga la mayor velocidad posible, al menor coste por bit

almacenado.

Esto se consigue gracias al principio de localidad de referencias, segn el cual, un

programa al ejecutarse accede slo a una pequea parte de la memoria

durante un periodo relativamente largo. Esta parte accedida, se guarda en la

memoria ms rpida.

Se consigue que el sistema tenga una velocidad de acceso cercana al dispositivo

ms rpido a un precio por bit del dispositivo ms barato.

3.1.1 La memoria Principal.

Contiene los datos y el cdigo de los programas que est utilizando a corto plazo la CPU.

Es vista por la CPU como un conjunto lineal de compartimentos numerados de igual

tamao a los que puede acceder aleatoriamente indicando el nmero del

compartimento. Como el acceso es aleatorio, tambin son conocidas como memorias

RAM -Random Access Memory-.

Estas memorias, actualmente, son voltiles, es decir, pierden la informacin almacenada

cuando se quedan sin alimentacin elctrica.

La organizacin de la memoria suele ser de dos dimensiones, para simplificar la circuitera

de descodificacin de direcciones. Cada bit se almacena en una celda que puede

estar implementada por transistores (memorias estticas) o condensadores (memorias

dinmicas).

3.1.2 La Memoria Cache.

Esta memoria se sita entre el microprocesador y la memoria principal. Se utiliza

para almacenar una copia parcial del contenido de la memoria principal ms

utilizado. Permite agilizar el trabajo del microprocesador pues trabaja casi a su

misma velocidad. Es una memoria que es invisible a los programas que ejecuta el

ordenador.

Cuando la CPU accede a una palabra de memoria, el sistema de acceso a

memoria la busca en la cach. Si no la encuentra en la memoria cach, trae el

bloque, que contiene la palabra, de la memoria principal a la memoria cach.

En un ordenador actual pueden aparecer varios niveles de memoria cach:

Nivel 1. Es la memoria cach de menor tamao y de velocidad similar a la CPU.

Se encuentra integrada dentro de la misma CPU y tiene un diseo siguiendo a la

arquitectura Harvard, datos e instrucciones en memorias separadas, para permitir

el acceso simultneo a ambos.

Nivel 2. Memoria cach ms lenta y de mayor capacidad que la de primer nivel.

Almacena de forma conjunta datos e instrucciones. Es externa a la CPU y en los

diseos actuales tiene un bus de comunicaciones propio e independiente.

Nivel 3. Aparece en los ordenadores multiprocesador. Es una memoria cach

compartida por varias CPUs.

Hay tres tipos de cachs segn su poltica de ubicacin, dnde se coloca el

bloque de memoria ledo:

Correspondencia directa. Cada bloque de memoria principal tiene una sola

posicin en cach donde puede ubicarse. Son cachs de diseo muy simple,

y de menores prestaciones que el resto.

Completamente asociativa. Se puede almacenar cualquier bloque de

memoria principal en cualquier posicin de la cach. Es la que obtiene un

mayor rendimiento, pero son caras por tener un diseo complejo.

Asociativa por conjuntos. La memoria cach se divide en varios conjuntos de N

bloques. Cada bloque de memoria tiene asociado un conjunto de bloques de

la memoria cach y podr ubicarse en cualquier posicin dentro de l. Es la

poltica ms utilizada al tener la mejor relacin rendimiento/coste.

3.1.3 La Memoria Secundaria o Perifrica.

Es la memoria que almacena la informacin a largo plazo, que no est

necesariamente en uso.

Sus caractersticas generales son:

Memoria no voltil. Aunque el ordenador se apague sigue almacenando la

informacin.

Gran capacidad de almacenamiento.

Velocidad de acceso menor que la memoria principal

Coste por bit almacenado menor que la memoria principal.

La mayora de los dispositivos realizan el acceso de forma secuencial a los

datos.

Diferentes formas de almacenar la informacin: magntico, ptico y

elctrico.

Los dispositivos actuales de almacenamiento son:

Los discos duros: Es el principal medio de almacenamiento no voltil. Suele ser

un perifrico interno, no extrable. La informacin se almacena como campos

magnticos en la superficie de unos discos metlicos. El acceso a la

informacin se realiza de forma secuencial. Permite almacenar cientos de

Gigabits.

Los discos pticos CD-ROM, DVD, CD-RW: La informacin se almacena en la

superficie de un disco de forma ptica. Existen discos que solo permiten la

lectura, de una sola escritura o que permiten varias escrituras. Son dispositivos

extrables utilizados para almacenar y transportar de forma fsica la informacin

entre ordenadores, sobre todo para el almacenamiento multimedia.

Memorias flash: Memoria EEPROM -Electrical-Erasable Programable ROM- que

se ha popularizado recientemente. El acceso a la informacin se realiza de

forma aleatoria, a diferencia del resto de memorias secundarias. Son memorias

ligeras y de bajo consumo.

3.2 Unidad Central de Procesos.

La CPU -Unidad central de proceso es el elemento del ordenador encargado de

ejecutar las instrucciones que componen los programas. Para ello, realiza una

serie de operaciones leer de la instruccin, interpretarla, buscar los operandos,

ejecutar la operacin que indica la instruccin y guardar el resultado que

componen el ciclo de instruccin.

Actualmente se fabrican como un chip, denominado microprocesador,

compuesto de circuitos digitales de alta densidad. Anteriormente, la CPU se

compona de una o varias tarjetas de circuitos digitales.

Una CPU puede ejecutar un conjunto de instrucciones determinado, denominado

juego de instrucciones de la CPU. Las instrucciones tienen un formato de

instruccin determinado, unos bits indican que operacin se debe realizar y otros

indican los operandos utilizados en la operacin. El juego de instrucciones de una

CPU debe ser completo, es decir, debe permitir implementar cualquier

funcionalidad.

3.3 Perifricos E/S.

Son los elementos de los ordenadores utilizados para la comunicacin de este

con el exterior. Existe una gran variedad de dispositivos diferentes de

caractersticas muy diferentes.

Los dispositivos se pueden clasificar utilizando diferentes criterios:

- Segn el tipo de comunicacin: (De salida: un monitor, una impresora..., de

entrada: un ratn, un teclado..., de entrada/salida: un modem, una tarjeta de

red...)

- El ancho de banda utilizado: (Gran ancho de banda: El monitor, la tarjeta de

red, poco ancho de banda: El teclado, el ratn...)

La clasificacin de un perifrico como perifrico de almacenamiento o de E/S no

est perfectamente definida. Existen perifricos, como una grabadora de CD,

que tienen ambas funciones.

Uno de los requisitos del diseo de la E/S en los computadores es conseguir

manejar de una forma ms o menos homognea la gran variedad de dispositivos

de E/S.

Los perifricos no se conectan directamente al bus del ordenador, sino que se

conectan a travs de unos dispositivos puente, denominados puertos de E/S.

Por ejemplo:

Los puertos PCI o USB. El puerto de E/S tiene las siguientes funciones:

Emitir las seales de control hacia el perifrico adecuadas a las instrucciones recibidas desde la CPU.

Regular a travs de bferes, las diferentes velocidades del perifrico y de la CPU. Los perifricos suelen ser ms lentos que la CPU.

Realizar las conversiones que sean necesarias, tanto elctricas como de codificacin de la informacin.

3.4 Los Buses.

Es el medio de comunicacin interno del ordenador e interconecta todos los

componentes del mismo. Est formado por un conjunto de conductores

elctricos, por donde circulan las seales que corresponden a la informacin que

trata el ordenador.

Estos buses internos transportan la informacin de forma paralela.

Hay tres clases de lneas en un bus:

-Las lneas de datos: Proporciona el camino para transmitir informacin (datos e

instrucciones) entre los componentes del ordenador. Suele constar de 32 o 64

lneas distintas (Anchura del bus).

-Las lneas de direcciones: Indica la fuente o destino del dato situado en el bus de

datos. Los ordenadores actuales tienen mapeadas en el mismo conjunto de

direcciones, las direcciones de la memoria y de los dispositivos E/S.

-Las lneas de control: Se utiliza para que la CPU controle al resto de componentes

y para sincronizar el acceso y el uso de los buses de datos y direcciones. A travs

de este bus se envan seales como: Lectura Memoria, Escritura E/S, Peticin de

Interrupcin.

La arquitectura tradicional de los buses del ordenador era tener un bus nico que

conectaba la CPU con la RAM y el resto de perifricos. Siendo la CPU la

encargada de controlar el acceso de todos los componentes al bus del sistema.

Este diseo limitaba la velocidad del bus a la del componente ms lento y haca

que el diseo de los buses fuera complejo al tener que conectar dispositivos con

comportamientos muy heterogneos.

En la arquitectura original de Von Neumann, slo hay un bus en el ordenador,

formado por los tres tipos de lneas. Pero actualmente, un ordenador se compone

de varios tipos de buses que se interconectan y pueden trabajar de forma

simultnea:

- El frontside bus: Conecta el procesador con la memoria cach de nivel 2.

-El backside bus: Es el conjunto de lneas que conectan directamente la CPU con

la memoria principal. De esta forma se evita el cuello de botella que supone la

lentitud del resto de componentes. Est optimizado para transferencias del

tamao de un bloque de cach. El frontside bus y el backside bus pueden

funcionar de forma simultnea.

-El bus del sistema: Interconecta los dispositivos de alta velocidad. Es ms largo y

ms lento que backside bus, al cual se interconecta a travs de un puente.

-Un bus de expansin: Interconecta los dispositivos ms lentos del sistema. Se

conecta al bus de sistema a travs de puente.

Los dispositivos que se conectan a un bus pueden ser maestros, si pueden tomar

la iniciativa de tomar el control del bus e iniciar una transmisin, o dispositivos

esclavos, cuando tienen que esperar a recibir una solicitud. Hay dispositivos que

actan como maestros y esclavos, ejemplo la CPU, y otros solo como esclavos,

ejemplo la memoria.

Segn los ciclos de tiempo, los buses pueden ser:

1. Sncronos: Una de sus lneas transmite una seal peridica, frecuencia del bus, y

todas las operaciones en el bus estn sincronizadas a esta seal peridica.

2. Asncronos: No tienen reloj. Las operaciones con el bus no estn sincronizadas,

las operaciones de los diferentes dispositivos no tienen por qu durar lo mismo.

Los dispositivos negocian antes de iniciar la comunicacin la velocidad mxima

que puede alcanzar. De esta forma, la comunicacin entre dispositivos rpidos no

est condicionada a que haya dispositivos lentos. El inconveniente de estos buses

es su complejidad y alto coste.

3. Semisincrono, el bus tiene una seal de reloj, y las operaciones se sincronizan

con los ciclos del reloj. Cuando un dispositivo lento utiliza el bus y no puede

completar la comunicacin en los ciclos establecidos, activa una seal de espera

para obtener un ciclo ms. Este sistema permite tener un bus que no va a la

velocidad del dispositivo ms Lento, sin tener que realizar las complejas

operaciones de negociacin de la velocidad de comunicacin.

El bus, al ser un recurso compartido, necesita implementar una poltica de

arbitraje para cuando varios dispositivos reclamen su uso de forma simultnea.

Para negociar el turno de utilizacin del bus aparecen los mecanismos de

arbitraje de bus.

El arbitraje del bus puede ser:

-Centralizado: Un dispositivo rbitro determina que dispositivo tiene acceso al bus.

Existen diferentes diseos:

-Con una sola lnea de solicitud de bus. Daisy chain: Es un sistema de arbitraje con

prioridades fijas, Polling: con prioridades dinmicas.

-Con lneas independientes para cada dispositivo. Ms rpido y ms caro que el

anterior.

-Descentralizado: En este caso no existe un rbitro. Por diseo del sistema de

buses, cada dispositivo tiene su prioridad. Evita tener un rbitro, pero su diseo es

complejo.

3.5 Funcionamiento general de este tipo de arquitectura.

Un ordenador con esta arquitectura realiza o emula los siguientes pasos

secuencialmente:

1. Obtiene la siguiente instruccin desde la memoria en la direccin indicada

por el contador de programa (PC) y la guarda en el registro de instruccin

(IR).

2. Aumenta el contador de programa en la longitud de la instruccin para

apuntar a la siguiente instruccin.

3. Decodifica la instruccin mediante la unidad de control. sta se encarga

de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una

funcin determinada.

4. Se ejecuta la instruccin en este paso puede cambiar el valor del contador

del programa, permitiendo as operaciones repetitivas. El contador puede

cambiar tambin cuando se cumpla una cierta condicin aritmtica,

haciendo que el ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden

alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmtica y lgica

anteriores.

Conclusin:

La mayora de las computadoras todava utilizan la arquitectura Von Neumann,

propuesta a principios de los aos 40 por John Von Neumann.

La arquitectura Von Neumann describe a la computadora con 4 secciones

principales: la unidad lgica y aritmtica (ALU), la unidad de control, la memoria,

y los dispositivos de entrada y salida (E/S).

En este sistema, la memoria es una secuencia de celdas de almacenamiento

numeradas, donde cada una es un bit, o unidad de informacin.

La instruccin es la informacin necesaria para realizar, lo que se desea, con la

computadora.

Las celdas contienen datos que se necesitan para llevar a cabo las instrucciones,

con la computadora.

El tamao de cada celda y el nmero de celdas vara mucho de computadora a

computadora, y las tecnologas empleadas para la memoria han cambiado

bastante; van desde los rels electromecnicos, tubos llenos de mercurio en los

que se formaban los pulsos acsticos, matrices de imanes permanentes,

transistores individuales a circuitos integrados con millones de celdas en un solo

chip.