Módulo 0

Introducción a la arquitectura
de computadores
Departamento de Arquitectura de
Computadores
Aquitectura de Computadores I (2007/2008)
Arquitectura de computadores
Se refiere a los atributos visibles por el programador que trabaja en
lenguaje máquina o ensamblador.
Juego de instrucciones de máquina: Conjunto de instrucciones,, mecanismos
de E/S, técnicas de direccionamiento de memoria. Ej. ¿Hay alguna instrucción de
multiplicación?
Tipos y formatos de los operandos: número de bits para representación de
datos
Mapas de memoria: depende de la arquitectura se pueden tener mas de un
mapa de memoria. Von Neumann un solo mapa mientras que la arquitectura
Harvard utiliza dos mapas, uno para datos y otro para instrucciones.
Secuencia de ejecución: como se van seleccionando las instrucciones para ser
ejecutadas. Resgistro contador de programa (PC)
Diseñar de forma que se maximice el desempeño al tiempo que se cumplan las
restricciones de costo y consumo
Arquitectura del conjunto de
instrucciones
Conjunto de instrucciones visibles al programador
El conjunto de instrucciones sirve de frontera entre SW y HW
Ejemplos de ISAs (Instruction Set Architectures)
Digital Alpha (v1, v3)
HP PA-RISC (v1.1, v2.0)
Sun Sparc (v8, v9)
SGI MIPS (MIPS I, II, III, IV, V)
Intel (8086,80286,80386, 80486,Pentium, MMX
Aquitectura de Computadores I (2007/2008)
Organización
Se refiere a las unidades funcionales y sus interconexiones, que
dan lugar a especificaciones arquitectónicas.
Incluye aspectos de hardware transparentes al programador:
Diseño de CPU
Señales de control
Tecnología de la memoria
Estructura del bus
Ej. ¿Existe alguna unidad hardware para realizar la multiplicación o
se hace con sumas repetidas?
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Arquitectura y Organización
Toda la familia Intel x86 tienen la misma arquitectura básica.
La familia IBM sistema /370 tienen la misma arquitectura básica.
Esto provee compatibilidad de código – Al menos con sus versiones
anteriores.
La organización difiere entre versiones diferentes.
Aquitectura de Computadores I (2007/2008)
Funciones del computador
Un computador es una máquina capaz de interpretar y ejecutar
instrucciones de forma sencilla y rápida.
Las funciones de la computadora son:
Procesamiento de datos.
Almacenamiento de datos.
Movimiento de datos.
Control.
Aquitectura de Computadores I (2007/2008)
Estructura del computador
Es la forma en como se relacionan unos componentes con otros.
Principales componentes hardware:
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Unidad Central de Proceso (CPU)
Controla el funcionamiento del computador y lleva a cabo sus
funciones de procesamiento de datos (procesador).
Aquitectura de Computadores I (2007/2008)
Unidad Central de Proceso (CPU)
Unidad de control (U.C.): Interpreta y controla la ejecución de
instrucciones. Genera las señales adecuadas para que el procesador
ejecute las instrucciones de forma correcta.
Unidad aritmético-lógica (ALU): realiza las operaciones aritméticas y
lógicas necesarias en la ejecución de un programa (procesamiento de
datos).Modos de ejecución:
Registro-Registro ADD .R1, .R2 ⇒ R1+R2 → R1
Registro-Memoria ADD .R1, /1000 ⇒ R1+M(1000) → R1
Memoria-Memoria ADD /1000, /1004 ⇒ M(1000)+M(1004) → M(1000)
Registros: Proporcionan almacenamiento interno a la CPU:
De propósito general: Banco de Resgistros (BR). Almacenan datos y resultados
con los que trabaja la ALU
De propósito específico: Contador de programa (PC) , registro de instrucción (IR),
registro de datos (MDR), registro de dirección (MAR), registro de estado (SR),
Acumulador.
Interconexiones CPU: proporcionan comunicación entre la U.C., la ALU y
registros.
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Memoria principal
Memoria: bloque fundamental del computador cuya misión consiste en
almacenar los datos y las instrucciones de los programas en ejecución.
Hay 2 tipos: ROM y RAM.
Lleva asociados 2 registros: AR y DR.
Señales de control:
Operación de lectura
CM: inicia ciclo de memoria.
R: lectura.
W: escritura.
Activa CM.
Activa R.
AR almacena la dirección a la que se quiere acceder.
DR obtiene la salida de la memoria.
Operación de escritura
Activa CM.
Activa W.
DR almacena los datos.
AR carga la dirección de memoria principal donde escribir.
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E/S y Buses
Unidad de E/S: se encarga de realizar la conexión y adaptación de la CPU con los
dispositivos periféricos a través de los controladores.
De entrada: teclado…
De salida: impresora…
De entrada-salida: modem, discos…
Mecanismos de E/S
E/S programada: la CPU está infrautilizada; (por lotes) ya que se ejecuta una
instrucción específica.
E/S por interrupción: multiprogramación
E/S por DMA (acceso directo a memoria): el controlador del periférico es el
encargado de establecer comunicación con la memoria principal sin
necesidad de la CPU.
Buses:
Bus de datos: Proporciona un camino para transmitir datos entre la CPU y la
memoria o E/S
Bus de direcciones: Se utiliza para enviar la dirección de memoria o la del
registro de E/S que se quiere leer o escribir
Bus de control: Proporciona un camino por el que viajan señales de control y
temporización.
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Fases de ejecución de una instrucción
Toda instrucción puede ser ejecutada en 5 ciclos de reloj, siguiendo estas
etapas:
IF: Fetch: búsqueda de la instrucción
ID: Decodificación (UC)
EX: Realización de la operación (ALU)
MEM: Acceso a memoria
WB: Escritura de resultados
Aquitectura de Computadores I (2007/2008)
Estructura del computador
•CPU (Unidad Central de Proceso)
•Registros generales: Almacenamiento interno de
la CPU.
•Registros especiales:
•PC (Contador de Programa)
•DR (registro de datos)
•AR (registro de dirección)
•IR (Registro de Instrucción)
•SR (Registro de Estado)
•ALU: Procesa datos
•U.C.: Controla el funcionamiento de la CPU
•Interconexiones CPU: Proporcionan
comunicación entre la UC, la ALU y los registros.
•Memoria: Almacena datos e instrucciones
•Entrada / Salida: Transfiere datos entre el
computador y el entorno externo
•Sistema de interconexiones: Proporciona la
comunicación entre la CPU, la memoria y la E/S
Aquitectura de Computadores I (2007/2008)