Resumen Modulo 1 y 2 de Arquitectura del Computador PDF

Preview

Summary

Download Resumen Modulo 1 y 2 de Arquitectura del Computador PDF

Description

Arquitectura del Computador Modulo 1 Sistemas de numeración decimal y binario El sistema decimal es el que usamos diariamente para indicar la edad de una persona: “24”. El sistema decimal está compuesto por 10 símbolos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), los cuales indican, un valor distinto. Para contar, este sistema comienza por el 0 y va sumando de a un dígito hasta llegar al 9. En ese momento, al no haber más símbolos disponibles, se debe agregar una columna a la izquierda y reiniciar el contador de la primera columna: el “10” indica que se incrementó en 1 la segunda columna y se puso en 0 la primera. Cuando la segunda columna se quede sin símbolos, se sumará una tercera y así sucesivamente. El número 5421 puede expresarse en potencias de base 10 de la siguiente manera: 1 = 1 x 100 = 1; 2 = 2 x 101 = 20 4 = 4 x 102 = 400 5 = 5 x 103 = 5000 Cuando se suman los cuatro resultados, se obtiene 5421. Como las computadoras no utilizan los dedos de la mano para contar, sino compuertas electrónicas cuya salida puede ser “prendida” (1) o “apagada” (0), la cantidad de símbolos disponibles es 2. Este sistema de numeración se denomina binario. Al igual que el sistema decimal, para contar más de un dígito, se deben sumar columnas, en este caso, compuertas. El cero está representado por una sola columna con valor 0. El uno, con la misma columna, pero ahora con valor 1. Al no existir más símbolos, se agrega una segunda columna para representar el dos, y se pone en 0 la primera: 10. Para contar hasta 3, se debe incrementar en uno la primera columna: 11. Este proceso continúa a medida que se van incrementando los valores. Para conocer el valor decimal de un número binario, se debe sumar el valor de cada bit por potencias de base 2. Ejemplo de conversión de 10100 en binario a 20 en decimal: 1 = 1 x 24 = 16; 0 = 0 x 23 = 0; 1 = 1 x 22 = 4; 0 = 0 x 22 = 0; 0 = 0 x 20 = 0.

Otros sistemas: octal y hexadecimal El sistema octal utiliza 8 símbolos (desde el 0 hasta el 7), mientras que el hexadecimal utiliza 16: del 0 al 9 y desde la A hasta la F. Para ambos sistemas, la representación de números entre el 0 y el 7 es igual que en el sistema decimal ya que utiliza los mismos símbolos, pero, en el caso del octal, para representar un 8 decimal se requieren dos dígitos: 10. El sistema hexadecimal permite “comprimir” la información, ya que utiliza menos dígitos que otros sistemas para representar el mismo número. Para representar el número 15 dec imal, el sistema binario utiliza 4 columnas, mientras que el hexadecimal solo utiliza una. El sistema hexadecimal representa por cada dígito medio byte. Recordando que un byte equivale a ocho bits, para representar bytes en el sistema hexadecimal, se deber án usar 2 columnas.

Codificación Las computadoras utilizan un lenguaje diferente al de las personas para procesar la información. Para poder transformar nuestro lenguaje al lenguaje de una computadora, se requiere una relación denominada codificación. La codificación consiste en asignar una combinación binaria a cada carácter que se desea representar. A mayor cantidad de bits, mayor cantidad de caracteres que se podrán representar. Por ejemplo, un sistema de codificación de 1 bit, solo podrá representar dos caracteres: la letra “A” con un 0 y la letra “B” con un “1”.

Representaciones alfanuméricas Un ejemplo es el código ASCII, que utiliza 7 bits, por lo que la cantidad de caracteres máxima es 27 = 128. Este número limita la cantidad de letras y números que pueden codificarse: letras mayúsculas y minúsculas del alfabeto inglés, números decimales del 0 al 9, algunos símbolos y 33 caracteres de control. Para poder codificar un número mayor de caracteres, se implementó el denominado ASCII extendido, el cual agrega 1 bit a los 7 de ASCII. El total de 8 bits permite 256 caracteres.

Representaciones decimales Estos sistemas codifican números decimales en bloques de 4 bits. Un ejemplo es el código BCD (decimal codificado a binario) con sus diferentes variantes. o BCD puro o natural (8421): los pesos de cada bloque coinciden con los pesos en binario: 8 para el bit de mayor peso, 4 para el segundo, 2 para el tercero, y 1 para el bit con menor peso.

o

BCD exceso tres: a partir del BCD puro, debe sumarse un 3 binario a cada cifra.

o

BCD Aiken (2421). El nombre indica los pesos que se asignan.

Representaciones para números no decimales Estos sistemas sirven para realizar operaciones aritméticas con datos binarios o en otro tipo de numeración distinta a la decimal.

Circuitos digitales Las computadoras tienen como objetivo principal procesar datos. Este procesamiento se lleva a cabo mediante la utilización de circuitos digitales que realizan operaciones aritméticas y lógicas. Por ejemplo, un reloj digital deberá tener un circuito que cuente segundos, minutos y horas, y otro para que muestre esa información en un display. Los circuitos se representan como una caja negra que posee entradas y salidas. En su interior, esta contiene compuertas lógicas que se construyen con transistores. El número de estos determina lo que se denomina el nivel de integración de un circuito integrado. Este número puede ir de 10 a 100 transistores, para un circuito integrado SSI (Small Scale Integration), hasta más de un millón de transistores (ULSI o Ultra Large Scale Integration). Las entradas y las salidas de los circuitos pueden tomar dos valores: 0 y 1. Para n entradas, habrá 2𝑛 salidas posibles.

Circuito codificador decimal a BCD En los circuitos combinacionales, las salidas dependen de los valores que tengan las entradas y las operaciones en su interior. Este circuito sirve para convertir a código BCD los códigos que resultan de presionar las teclas 0 a 9 de un teclado. Como hay 10 teclas, el número de entradas es 10. Como el objetivo es codificar a BCD, el número de salidas es 4.

Cada tecla tiene un interruptor y, cuando es presionada, cierra un circuito eléctrico que alimenta la entrada correspondiente del circuito codificador. Luego, el circuito debe realizar operaciones de modo tal que cumpla con la tabla de verdad.

Oros circuitos combinacionales Decodificadores de código. Se utilizan para decodificar un código BCD en un display de 7 segmentos. Son aplicados en calculadoras o relojes. o Demultiplexor. Posee una entrada y múltiples salidas, lo que le permite, transmitir información desde un canal serie a otro paralelo. o Multiplexores. Poseen múltiples entradas y una única salida. Realizan el proceso inverso al demultiplexor. o

Por ejemplo, de un multiplexor utilizado para realizar cuatro operaciones lógicas. Mediante los bits de control (A y B), es posible seleccionar cuál operación se va a mostrar en la salida R. Si A y B toman los valores 00, la salida será la de la compuerta NOT; tomarán los valores 01 para la compuerta AND, 10 para OR y 11 para XOR.

Circuitos secuenciales Un circuito secuencial es aquel que no solo depende de los valores de su entrada, sino también del estado anterior del circuito. Este tipo de circuitos se utilizan como almacenamiento temporal, de alta velocidad y baja capacidad. Los denominado biestables o flip-flops permiten almacenar un solo bit, en su construcción básica, no permiten volver al estado original. La salida F’ será siempre 0 cuando se inicie el circuito y S sea 0. Una vez que el bit S cambie a 1, la salida F’ cambiará a 1 y no podrá ser puesta nuevamente en 0. Esta situación no permite que el circuito funcione como memoria, ya que impide que sea puesto en 0. La otra condición es que el circuito retenga el bit luego de desactivar las entradas.

Modificando el circuito, es posible lograr el objetivo de que sirva como elemento de memoria.

En la figura se observa la modificación. Una nueva entrada denominada R ( reset) permite volver a cero el circuito. Puedes realizar la tabla de verdad de este circuito para verificar su funcionamiento. El circuito de la figura anterior puede transformarse mediante operaciones algebraicas para y leyes de Morgan, para que pueda ser implementado con compuertas NOR. Este biestable se denomina R-S.

Para que un conjunto de biestables trabaje en forma sincronizada, se utiliza una señal de reloj (clock). El momento en que todas las entradas cambian de estado está determinado por el pulso del reloj. Se denomina a estos biestable sincrónicos.

Registros

Se denomina registro la función digital que permite retener información de forma temporal. Los registros están compuestos por uno o más biestables. Los registros son los tipos de memoria más rápida, por lo que son usados por el microprocesador para acceder a los datos más en sus operaciones aritméticas y lógicas. Existen diferentes tipos de registro: o Registros paralelo-paralelo: transfieren información.

o Registros contadores: cuentan eventos. o Registros de desplazamiento: permiten realizar operaciones aritméticas mediante desplazamientos.

Organización y arquitectura de una computadora En la actualidad existen diversos tipos de computadoras: mainframes, servidores, PC, laptops, tablets, smartphones. Todas ellas cumplen una misma misión procesar datos que ingresan los usuarios a través de dispositivos de entrada, para luego mostrarlos, almacenarlos o enviarlos a otro destino. Los programas o aplicaciones que instalamos contienen un conjunto de instrucciones que resuelven problemas computacionales.

Estos componentes son: o CPU o unidad de procesamiento central. o Memoria Principal. o Dispositivos de entrada. o Dispositivos de entrada/salida. o Dispositivos de salida.

Modelo de Von Neumann El modelo de Von Neumann describe una arquitectura de una computadora digital de programa almacenado. Una computadora con programa almacenado es la evolución de sus antecesoras. La primera máquina se remonta al año 1642, cuando Blas Pascal construyó una calculadora para sumar y restar basada en ruedas con 10 posiciones. Como utilizaba numeración decimal, cuando una rueda pasaba de 9 a 0, la cuenta de la rueda de la izquierda aumentaba en uno. 29 años después, se inventó una calculadora capaz de multiplicar mediante sumas sucesivas. En 1823, se comenzó a construir la primera máquina digital, la cual utilizaba tarjetas perforadas para almacenar las instrucciones. Estas tarjetas perforadas fueron sumamente importantes durante la evolución de las computadoras, a fines del siglo XIX y principios del XX, se utilizaron para grandes procesamientos de datos. IBM perfeccionó la técnica de tarjetas perforadas diseñando dispositivos de lectura y tarjetas estándar de 80 columnas, y esta tecnología tuvo su auge entre 1930 y 1970. Los datos y el programa son leídos por un lector de tarjetas. La computadora realizará las operaciones indicadas por el programa y arrojará resultados a través de una impresora.

Este tipo de computadoras realizaba la lectura del programa, luego se introdujeron los datos y finalmente, surgieron diseños con capacidad suficiente como para almacenar programas. En las máquinas tradicionales, se requería cambiar los circuitos internos. En 1945, Von Neumann construyó una máquina que se denominó computadora. Esta máquina permitía guardar diferentes programas en la memoria sin la necesidad de tener

conexiones fijas. Este modelo todavía está vigente y se basa en tres principios. o Máquina electrónica digital que trabaja con información codificada en sistema binario. o Programa almacenado en la memoria. o Posibilidad de provocar una ruptura de secuencia de instrucciones en un programa.

Se puede apreciar que este modelo es similar al usado por las computadoras actuales. La CPU, o unidad de procesamiento central, formada por: o ALU o unidad aritmético-lógica, encargada de procesar la información; o CU o unidad de control, encargada de permitir la ejecución de instrucciones al asegurar que las operaciones se realicen en forma secuencial y sincronizada; o Memoria principal. Dispositivos de entrada/salida. Todos los módulos (CPU, memoria, e/s) están interconectados entre sí por buses. Estos buses son caminos por donde viajan los datos. Como son compartidos, la CU se encarga de gestionarlos.

Funciones básicas de cada componente La unidad básica de información utilizada por las computadoras es el bit, que puede tomar un valor 1 o 0. Cuando estos bits son agrupados mediante algún sistema de codificación, se forman los caracteres y números. Estos caracteres son procesados por las computadoras en lo que se denomina “unidad de trabajo” o palabra de CPU. El tamaño de los registros está directamente relacionado con el tamaño de la palabra. Si el tamaño de los registros es de 8 bits, el tamaño de las palabras también tomará ese valor. Si se desea realizar operaciones para operandos de 64 bits, se realizará en 4 pasos.

CPU

La unidad de procesamiento central se divide en tres unidades: de ejecución, de decodificación y de prebúsqueda. La unidad de prebúsqueda se conecta con la memoria principal para recolectar datos e instrucciones. Como se pueden recibir más de una instrucción, existe una cola para almacenarlas hasta que sean enviadas a la unidad de decodificación. La unidad de decodificación se encarga de convertir las instrucciones a un microcódigo, un lenguaje de menor nivel. La ejecución de la instrucción se realiza en la unidad de ejecución. La ALU está compuesta por circuitos que realizan operaciones aritméticas (suma, sustracción, desplazamiento) y lógicas (OR, AND, NOT).

Un microprocesador es una CPU compleja capaz de realizar una gran cantidad de operaciones. La evolución de las técnicas ha hecho posible concentrar más circuitos en menos espacio. Los procesadores actuales tienen una longitud de palabra de 64 bits. La velocidad con la que un microprocesador realiza las operaciones depende de la frecuencia del reloj del sistema.

La unidad de frecuencia se denomina Hertz, y sus múltiplos son KHz, MHz, GHz. Por ejemplo, 1GHz significa que se realizan 1000 millones de ciclos por segundo.

Dispositivos de entrada / salida Estos dispositivos son los encargados de transferir los datos para que sean procesados por la CPU, o el proceso inverso: guardarlos o mostrarlos una vez que han sido procesados. Algunos dispositivos de entrada / salida son: o teclados y mouse (entrada) o monitor (salida) o pantalla táctil (entrada / salida) o impresora (salida) o parlantes (salida) o micrófono (entrada) o disco rígido (entrada / salida) o discos flash (entrada / salida) o placa de red (entrada / salida)

Dimensión de las memorias La unidad más pequeña para almacenar información es el bit, que puede ser 1 o 0. Esta unidad se utiliza para expresar la capacidad de almacenamiento de los registros: 16 bits, 64 bits. Un byte está compuesto por 8 bits, y también se lo suele denomina octeto. Puede referirse a la capacidad de almacenamiento de registros en bytes: 2 B, 8 B, etc. Es preciso diferenciar la simbología de bits (b) y bytes (B) y no confundirse en su uso. El sistema internacional utiliza prefijos para simbolizar los múltiplos de la unidad básica en diferentes unidades de medición como por ejemplo el metro o el gramo. En nuestro caso son utilizadas de la misma forma para el bit o el byte.

Como la información se almacena en la memoria utilizando código binario, la capacidad se calcula con potencias de base 2. Como un kilo equivale a 1000, el número binario más cercano es 210 = 1024. Es por ello que 1024 B equivalen a 1 KB. Para los demás prefijos sucede lo mismo. 1 MB son 1024 KB o 220 = 1.048.576 B.

Jerarquía de memorias Las memorias se caracterizan por su velocidad, tamaño y precio. Las memorias más rápidas tienen un costo más alto de fabricación, por lo que su tamaño no podrá ser muy grande. Es posible fabricar memorias de mayor tamaño con menor costo, aunque su velocidad no será las más rápida. Debido a esta situación, se define una jerarquía de memoria, y el uso de cada tipo dependerá del propósito. Lo registros son el nivel más alto de la jerarquía y las memorias de mayor velocidad. Se utilizan para almacenar las operaciones más frecuentes del procesador. Debajo de los registros, se encuentran la caché y l DRAM . Ambas cumplen la función de almacenar instrucciones y datos intercambiables accedidos por el procesador. La memoria caché es más rápida que la DRAM, más costosa y de menor tamaño. En el último nivel de la jerarquía se encuentra la memoria secundaria o externa. Esta es mucho más barata y lenta que las anteriores, y su costo, significativamente menor. Realiza una búsqueda online de precios de memorias RAM y discos duros.

Memorias RAM Las memorias RAM (Random Access Memory) son de acceso aleatorio, ya que un componente de selección habilita una posición e inhabilita al resto. Existen dos tipos de memoria RAM: las estáticas, denominadas SRAM, y las dinámicas o DRAM. En una memoria estática, la información almacenada solo puede ser modificada mediante un proceso de escritura. En una memoria dinámica, la información se degrada con el tiempo. Para evitar que se pierda, debe refrescarse. Debido a estas características, las DRAM son más lentas, pero de mayor capacidad. La información dentro de la memoria está organizada en lo que se denomina palabra. Como las memorias están formadas por filas y columnas, cada palabra ocupa una fila. Cada fila está identificada por un número que representa a cada palabra contenida por esa memoria. Para escribir o leer, se deberá hacer referencia a este

número. Se observa un ejemplo de memoria con capacidad para almacenar 1024 palabras de 8 bits. La dirección de cada palabra se indica activando o desactivando de A0 a A9 (10 bits). Las líneas de datos son de D0 a D7 (7 bits). VCC provee alimentación, y GND, tierra. WE indica si la operación va a ser de escritura (1) o de lectura (0). EN indica si el circuito está habilitado (1) o deshabilitado (0).

Para leer desde esta memoria, se debe habilitar el chip (EN = 1) y enviar la dirección desde donde se desea leer. Con WE = 0 se da orden de lectura, y finalmente la palabra viajará a destino a través de las líneas de datos D0 a D7. Para escribir en la memoria, se habilita el chip (EN = 1) y se envía la dirección donde se almacenarán los datos. Se transfiere la información desde el dispositivo externo a través de las líneas de datos D0 a D7 y finalmente se activa la opción de escritura mediante WE = 1.

Memoria ROM

En este tipo de memorias puede escribirse solo una vez, de ahí su nombre: “memoria de solo lectura” (Read Only Memory). No requiere alimentación para conservar la información, sino que esta permanece inalterable, esté la computadora prendida o apagada. Existen memorias ROM que pueden ser programadas por el usuario, las cuales se denominan PROM (ROM programable), y también memorias ROM que pueden ser programables y borrables, denominadas EPROM. Si bien estas últimas pueden borrarse, el proceso es tan lento y complejo que no pueden cumplir las funciones de la RAM. Por último, las EEPROM pueden borrarse eléctricamente, por lo que se diferencian de las EPROM por ser más fáciles de eliminar su contenido.

Errores Las memorias se ven afectadas por dos tipos de errores: de hard, o permanentes, y de soft, o transitorios. Los errores de hard se producen cuando la memoria está físicamente afectada por el desgaste o defectos de fabricación. En esta situación los bits quedan siempre en 0, en 1 o conmutan erróneamente. Los errores de soft se producen por problemas de alimentación o partículas alfa. Las memorias pueden detectar y corregir ambos tipos de errores mediante el uso de códigos. Estos códigos pueden detectar o corregir una cierta cantidad de bits, y esta medida los caracteriza.

Velocidad del bus de memoria Las memorias se conectan a un controlador de memoria a través de un bus. Los buses transfieren bits en paralelo, y el número de bits que pueden ser transferidos simultáneamente determinará el ancho de banda de la memoria. Si un bus tiene un ancho de 64 bits y trabaja a una frecuencia de 200 MHz (o 200 ciclos por segundo), se podrán transferir d...