Arquitectura de Computadores - Resumen Primer Parcial PDF

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Marcos Montedonico

ARQUITECTURA DE COMPUTADORES Clase: Energía Eléctrica Tensión de una batería: Conocido también como los voltios, que es lo que se toma como medida. Por ejemplo, se dice, una batería tiene 12 voltios. Se suele simbolizar con una V de volts. Resistencia: Se mide en Ohms. La resistencia es una medida de la oposición al flujo de corriente en un circuito eléctrico. La resistencia se mide en Ohms, que se simbolizan con la letra griega omega (Ω). Se simbolizan con una R Intensidad de la Corriente Eléctrica: La intensidad es la cantidad de carga que pasa por un conductor por unidad de tiempo. Se establece con el nivel de tensión y resistencia. Se mide en Amperios (A). Se suele simbolizar como I

Con estos tres conceptos, se crea un flujo de electrones. R = V / I → Ley de Ohm. La Ley de Ohm dice que la resistencia es directamente proporcional a la tensión, e inversamente proporcional a la corriente que circula por esta resistencia. Fórmula de Resistencia: R=V/I Formula de Intensidad: I = (1/R) x V ←→ I = V / R Potencia: Cuando hablamos de potencia, hablamos de cuánta energía puede entrar al circuito o cuánta energía será absorbida por el utilizador. Se simboliza con una P P=VxI Si no tenemos valor de I, se puede decir que: I=V/R Por lo que: P = V x V/R → P = V^2 / R Pero si tampoco tenemos el valor de tensión, se puede usar: V=RxI Por lo que:

P = R x I x I → P = R x I^2

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Unidades

Corrientes Continua: Es aquella en la que el flujo de electrones, o flujo de corrientes, se mantiene siempre en el mismo sentido. Esto sucede normalmente dentro de una computadora, donde la corriente eléctrica siempre circula en el mismo sentido Alterna: Es aquella que se usa a la hora de distribuir energía eléctrica. La tensión alterna es mucho más fácil de transportar y económica de producir, que la continua. Todos los sistemas de distribución eléctrica se basan en corrientes alternas. Las corrientes alternas, tienen un cambio de polaridad, ya que varían de positivo a negativo. ¿Cómo medir ese cambio de polaridad? El periodo que se usa en nuestro país de cambio de polaridad, es de 20MS. Por lo que se nos proveer de 220V y 50HZ (Frecuencia) La frecuencia se puede medir con la fórmula de 1/T Por ejemplo 1/20ms == 50hz. Aun así, no funciona así en todos los países. En EEUU, se provee una tensión de 110 V y una frecuencia de 60hz.

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Clase: Breve Historia de la Computación Se podría decir que el inicio está en el ÁBACO. Este es tan antiguo como la aritmética misma, y fue creado por la necesidad de hacer cálculos rápidamente.

A pesar de que la primera calculadora mecánica, se inventó en el siglo 17, hubo muchos intentos por producir dispositivos de cálculo que sean realmente eficaces. Pero no fue hasta el siglo 20, que se logró producir dispositivos electrónicos que puedan controlar la corriente eléctrica, y en ese momento es cuando se produce la apertura tecnológica, en donde tenemos las máquinas eléctricas y por otro lado las máquinas mecánicas. La idea en ese entonces fue, como convertir símbolos matemáticos en energía eléctrica. A mediados del siglo 20 aparece un ingeniero llamado Claude Shanon, que aplicó la nueva tecnología al trabajo matemático. 100 años atrás, George Boole había inventado un sistema de reglas para manipular problemas lógicos por procedimientos matemáticos, que admiten dos estados, (V) o (F). Shanon tomó este sistema y lo aplicó en el análisis y síntesis de la conmutación de los circuitos digitales. Y alli fue cuando la electronica se separo en Analogica y Digital Analógica: Concierne a todo lo relativo a manejo de corrientes eléctricas continuas. Digital: Se usa para utilizarse con corrientes eléctricas discretas. Es decir, saltos de energía, que representan 0 y 1.

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Los primeros dispositivos electrónicos Las válvulas de vacío Este dispositivo, en electrónica analógica era un componente electrónico para simplificar o modificar una señal eléctrica mediante el control de circulación de electrones dentro de la cápsula. Dentro de una válvula tenemos un Cátodo y un Ángulo. Los electrones podían viajar del cátodo hasta el Ánodo. Pero para lograr esto, se calentaba el Cátodo y así de esta forma viajaban de una parte a otra. Esto generaba una alta tensión de 250 volts aprox. Con una grilla con un potencial negativo, se controlaba el paso de los electrones desde el cátodo al ánodo. Con este artefacto, se puede manipular si pasa corriente, o no pasa, lo que se interpreta en la Álgebra Booleana como unos y ceros. Allí nace la era digital. Primera computadora digital La primera computadora se llamó ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) y fue diseñada para la industria bélica. La computadora ocupaba 160 metros cuadrados, operando con más de 17000 válvulas. Con esta computadora, nació el concepto de “Bug” ya que a veces un insecto se metía entre la producción de electricidad, y se cortaba la corriente, y los de mantenimiento debian hacer un “debugging”. Transistores El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Generalmente estaba construido en base a 3 capas de germanio, que es el material que tiene capacidades eléctricas semiconductoras. Posteriormente se reemplazó con el silicio. A nosotros nos interesa verlo como una llave electrónica. Según su entrada, nos entregará un uno o un cero. Primer Circuito Integrado En 1958 es patentado el primer circuito integrado. Lo que dio origen al dia de hoy en una carrera por la miniaturización, es decir, colocar la mayor cantidad posible de Transistores por milímetro cuadrado en una pastilla de silicio. En ese entonces aparecen lo que se denominan como Sistemas Discretos, y Sistemas Integrados. Hasta que llegamos a los años 70 donde nace el actual computador, dando origen al primer microprocesador de la historia desarrollado por Intel, llamado Intel 4004,

Marcos Montedonico con 2300 transistores.

Clase: Arquitectura Básica Se pueden definir dos puntos de vista de una computadora: La Arquitectura y Organización Se pueden tener distintas organizaciones para una misma arquitectura. Aunque el avance es tan grande, que la organización misma lleva esos cambios en la Arquitectura de las Computadoras.

Funciones Básicas Mecanismo de Procesos: Una forma de procesar los datos Mecanismo de Almacenamiento: Funciones básicas de almacenamiento. Memorias, Discos. Dispositivos de Entrada y Salida: Todos aquellos dispositivos que sirvan de entrada y salida de datos de una computadora. Monitores, teclados, parlantes, micrófonos. Mecanismo de Control: Es estrictamente necesario para interactuar con los mecanismos y dispositivos previamente mencionados.

Procesamiento/Decodificamento de Datos Consiste de 4 fases: 1- Leer la próxima instrucción. 2- Decodificar esa instrucción. 3- Ejecutar esa instrucción. 4- Almacenar el resultado Vuelta al paso 1. El procesamiento se basa en estas cuatro premisas.

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Estructura de Nivel Superior

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Lógica de Procesamiento En la programación en hardware, se usa una Secuencia de Funciones Aritméticas Lógicas. Datos → Secuencia de Funciones Aritméticas Lógicas → Resultados Pero a la hora de hacerlo en una computadora o software, se usará un código de instrucciones. Estos los interpretaremos y trabajaremos con ellos en la secuencia de funciones aritméticas/lógicas. Depende de como se interpreten, podremos usar un navegador, una aplicación, etc.

Sistemas Combinacionales y Secuenciales Combinacional: Este sistema es aquel que la salida estará en función de los datos ingresados previamente. Sus salidas son función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso estados anteriores de las entradas o de las salidas. Los sistemas combinacionales más comunes son las compuertas lógicas. Es decir, cuando una entrada tiene un valor determinado, la salida responderá consecuentemente.

Secuencial: Es aquel en el cual el valor de la salida o respuesta no solo dependerá de la entrada, sino también de la salida anterior. Los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también dependen del estado anterior o estado interno.

Modelo básico de una computadora

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Clase: Sistemas Combinacionales Sistema Combinacional: Este sistema es aquel cuya salida estará en función de los datos ingresados previamente. Sus salidas son función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso estados anteriores de las entradas o de las salidas.

Multiplexores Un multiplexor, es un dispositivo combinacional a base de compuertas lógicas, cuyo objetivo es, teniendo varias entradas seleccionar cual es la entrada que sale por dicho bloque. Multiplexor de dos entradas. Con dos compuertas AND y una compuerta OR.

Las compuertas AND, tienen las entradas A y B de los canales que queremos sacar por la puerta Z. Es según la entrada que se seleccionara la puerta A o B

S

A

B

F

0

0

0

0

0

0

1

0

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0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

Se puede ver en la tabla de verdad que siempre que la selección sea 0, la solución tomará los valores de A sin importar el valor de B. Y al revés, si la selección es 1 la solución tomara los valores de B. La tabla se puede reescribir de esta manera: S

F

0

A

1

B

Multiplexor de cuatro entradas En este caso se necesitará un sistema que permita seleccionar diferentes entradas del multiplexor más complejo que el anterior.

Aparece un nuevo dispositivo (El rectángulo) llamado DECODIFICADOR. El decodificador es un dispositivo combinacional en el cual ingresa una combinación de valores en la entrada y sale una combinación diferente en la salida. De este modo, podemos escribir una tabla de verdad, que nos de diferentes soluciones A,

Marcos Montedonico B, C o D que quiero obtener para enviar por ese canal

S0

S1

F

0

0

A

0

1

B

1

0

C

1

1

D

El decodificador tiene cuatro salidas, y dos entradas. Por lo que con esos valores debemos construir una tabla de verdad con todos esos valores. S0

S1

E1

E2

E3

E4

0

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

Tomando cada una de las salidas de forma independiente, puede armarse un circuito con compuertas lógicas.

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De esta forma, si unificamos todos los circuitos, tendríamos el circuito final de nuestro decodificador de dos entradas y cuatro salidas.

En líneas generales, un decodificador es un dispositivo electrónico lógico combinacional, en el cual frente a una combinación, de unos y ceros en su entrada, producirá en su salida una combinación de unos y ceros para la cual ha sido específicamente diseñado para operar en el requerimiento para el cual el decodificador ha sido concebido. El uso de decodificadores es una pieza fundamental en la arquitectura de una computadora.

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Clase: Sistemas de Representación Representación de la Información Los seres humanos, utilizamos para representar valores: -Sistemas decimales -Caracteres alfanuméricos -Gráficos -etc. Por otro lado, las computadoras siempre usan codificación binaria, para representar todo. Nosotros usamos un Sistema de Numeración Posicional. Ej: 221 es distinto de 122 (numeración Decimal) El sistema de numeración decimal es de base 10. Posee 10 símbolos/dígitos. Del 0 al 9 Por ejemplo , 528 528 = 500 +20 + 8 528 = 5 x 10^2 + 20 x 10^1 + 8 x 10^0 Por otro lado, el sistema binario:

Sistema Binario: Es de base 2. Posee dos símbolos. 0 y 1.

Sistema Hexadecimal: Es de base 16. Posee 16 símbolos. Del 0 al 9 y de la A hasta la F. A = 10 B = 11 C = 12 D = 13 E = 14 F = 15 De modo que podemos escribir: 2AB = 2.16^2 + A x 16^1 + B x 16^0.

Conversión de Decimal a Binario: En términos generales se debe dividir por 2 hasta que no quede nada. Lo más recomendable es ir haciendo la división por escalerita, al resultado de lo anterior se lo vuelve a dividir por 2, a menos que el resultado sea 2 o menor. De derecha a izquierda, se toman los restos (1 y 0) y se forma el número binario De un número binario, el bit más significativo es el que está a la izquierda, mientras que a la derecha está el menos significativo.

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Conversión de Binario a Hexadecimal: Por ejemplo el número 10001101 Colocamos los más significativos a la izquierda y a la derecha. Según nuestra tabla de conversión: 1000 = 8 1101 = D A esta agrupación de 8 bits, la llamaremos byte. 8 bits = 1 byte El byte es el conjunto de 8 bits, y es la unidad básica de medida representada en este sistema.

Representacion de numeros con su signo -

Módulo y Signo Complemento a1 Complemento a2 Exceso 2 ^ (N-1)

Módulo y Signo (MS) Signo + Módulo Decimal = 12 Binario = 0 0 0 0 1 1 0 0 Como su bit más a la izquierda es un 0, el número es positivo. Signo +

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Decimal = -12 Binario = 1 0 0 0 1 1 0 0 Como su bit a la izquierda es un 1, el número es negativo. Signo Rango de Representación El rango de representación es aquel conjunto de números que se pueden representar. En el caso del MS, el rango de representación está entre -127 y 127, que este sería el caso de 8 bits. La ventaja con este sistema es que con cambiar un bit ya podemos hablar de un símbolo negativo o positivo. Pero la desventaja es que tenemos una doble representación del 0

Complemento a 1 (C-1) Se utiliza del mismo modo del MS. Tenemos el bit que está más a la izquierda, que utilizaremos como signo. 0 es positivo y 1 negativo. El negativo de este número se consigue complementando todos sus dígitos, es decir, cambiando los 0 por 1, y viceversa, incluidos el bit de signo. Decimal = 12 Binario = 0 0 0 0 1 1 0 0 Signo + Decimal = -12 Binario = 1 1 1 1 0 0 1 1 Signo Rango de Representación El rango de representación está entre -127 y 127. La ventaja de este método es que tenemos un rango simétrico. Pero tenemos doble representación del número 0

Complemento a 2 (C-1) En este método se soluciona el problema de la doble representación. El primer paso es complementar el número positivo en todos sus bits, cambiando 0 y 1. El segundo paso, es sumarle 1 en binario al resultado del anterior.

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Signo Rango de Representación El rango de representación está entre -128 y 127 debido a que no tenemos al doble 0. Representación del 0: 0 0 0 0 0 0 0 0

Exceso 2 ^ (N-1) Para 8 bits, 2^(8-1) = 128 12 = 128 + 12 = 140 12 = 138 - 12 = 116 De ese modo, 12 será 10001100 (140 en Binario) De ese modo, -12 será 11101000 (116 en Binario) De ese modo, el 0 será 10000000 (128 en Binario) Rango de Representación El rango de representación está entre -128 y 127 igual que en el complemento 2....