Arquitectura “Von Neumann”

Actividad 1.

Identificar los elementos funcionales de un  ordenador. Esquematizando las conexiones entre ellos e indicando los  componentes de dichos elementos y su relevancia dentro del entorno del  ordenador.

Antes de empezar debemos conocer que arquitectura vamos a utilizar.

En principio deberíamos utilizar la Arquitectura  “Von Neumann” , que es en la que  se basan  la mayoría de procesadores para PC actuales.

La ventaja de este tipo de arquitectura es que es  más eficiente en la utilización de la memoria, ya que  usa el mismo dispositivo de almacenamiento  tanto para   las instrucciones como para los datos. Estos, al ser almacenados en el mismo formato dentro de la memoria, utilizan un único bus de datos para poder mantener contacto con la CPU.

Su desventaja es que requiere una ambigüedad para poder reconocer y distinguir los datos. Los ordenadores que utilizan este modelo se componen  de:

-la unidad aritmética lógica o “ALU”[pic 1]

-la Unidad de Control

-Una memoria principal

-Un dispositivo de entrada y salida  (E/S)

Otra arquitectura sería  la de “Harvard”  que es la más usada en microcontroladores  y otros sistemas integrados. Su diferencia principal con la de “Neumann”  es que las instrucciones y los datos se encuentran en dos espacios de memoria separados, esto lleva a una optimización de la cache.

[pic 2]

Ahora pasaremos a desarrollar los elementos funcionales de un ordenador basado en arquitectura “Von Neumann”.

Los podemos dividir en 4 bloques:

-La Memoria Principal[pic 3]

-La Unidad Aritmético/Lógica (AUL)[pic 4][pic 5]

-La Unidad de Control (UC)

-El Subsistema de Entrada/Salida (E/S)

 LA MEMORIA PRINCIPAL O CENTRAL

Es la Unidad donde se almacenan  de forma temporal tanto   las instrucciones que forman los programa como los propios  datos de trabajo. Las operaciones básicas que permite son la escritura o almacenamiento y lectura.

Elementos que componen la memoria central o principal:

1 Registro de direcciones. (RD) Almacena, temporalmente  la dirección de la celda o posición de memoria a la que se va a acceder o escribir.

2 Registro de intercambio  o de datos (RM). Almacena, temporalmente  los datos  que se intercambian con la memoria principal tanto en la operación de escritura como de lectura

3 Selector de memoria. Se activa cada vez que hay que leer o escribir conectando la celda o posición de memoria con el registro de intercambio.

  4 Señales de control. Indica si una operación es de lectura o escritura.[pic 6]

La construcción de las memorias  ha ido cambiando con el tiempo  ahora se usan memorias de estado sólido, basadas en circuitos eléctricos de silicio, las cuales están formada por celdillas  o circuitos biestables (flip flop)capaces de almacenar información en forma de 0 (ausencia de información) y 1 (información). Cada información de este tipo se llama bit .Para almacenar la  información en la memoria se suele usar  bloques.Cada  bloque tiene  8 celdillas (octeto o byte).  A Estos dispositivos los denominamos  RAM, (memorias de acceso aleatorio) y pueden ser de:

- tipo estático (SRAM)  suele llevar entre cuatro y seis dispositivos electrónicos de estado sólido,  conocidos como transistores, que controlan el flujo de electricidad. Su característica definitoria  es que nunca necesita  ser actualizada, por lo que los datos permanecen en sus celdas de  memoria hasta que se sobrescriben o se extrae la fuente.

-Por otro lado  el  tipo dinámico, (DRAM) se compone de un solo transistor y un único dispositivo para la  acumulación y posesión de carga eléctrica, conocido como un condensador.  La presencia o ausencia de una carga en el condensador determina si la  celda de memoria contiene un dígito binario 1 o un dígito 0.basan su funcionamiento en la carga de diminutos condensadores, que necesitan ser refrescadas cada cierto tiempo para evitar que pierdan toda la carga,  Normalmente  en este tipo de memoria se pierde la información si se quita la alimentación, salvo que tengan  baterías para mantenerla. La ram dinámica es más económica  que la estática  es y la que normalmente más se usa en los ordenadores.

Otro tipo de memoria sería la ROM,que es una memoria no volatil  ( es decir que no pierde los datos aun cuando no tenga energía) en contraposición a la memoria RAM que es volatil. La ROM es una memoria de solo lectura, que pueden ser a su vez borrables (EPROM, EEPROM,FLAS) o permanentes (PROM, ROM)

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU).

La  UCP o  CPU(Central Process Unit ) sería el encargado del control general,la  ejecución y envío de las operaciones que se desarrollan  dentro del  ordenador para  realizar el tratamiento automático de la  información. La CPU  interpretará ordenadamente las instrucciones almacenadas en  la memoria para que éstas  puedan  ser ejecutadas. Dentro  de la CPU  habrá  unos  elementos que memorizarán temporalmente la información correspondiente a  una palabra.  A estos elementos se les llama  registros.[pic 7][pic 8]

Un factor que influye en la velocidad de un computador es el ancho de banda, que representa la cantidad de información transferida por segundo entre una unidad y otra.

La potencia de un computador está determinada en gran parte por el tiempo de ciclo, el ancho de banda y la capacidad de memoria.

[pic 9]

La CPU está formado por:

- la Unidad de Control (UC), incluyendo los registros en los que se almacena temporalmente la información manejada por la unidad central de proceso y

-la Unidad Operativa o Unidad Aritmético-Lógica (ALU).

Unidad de Control (UC). Su  tarea fundamental es recibir información para interpretarla y procesarla después  mediante las órdenes que envía a los otros componentes del ordenador. Se  encarga de traer a la memoria interna o central del ordenador (memoria  RAM) las instrucciones necesarias para la ejecución de los programas y  el procesamiento de los datos. Estas instrucciones y datos se extraen,  normalmente de los soportes de almacenamiento externo. La  UC  también interpreta y ejecuta las instrucciones en el orden adecuado para que  cada una de ellas se procese en el momento exacto y  y de forma correcta.

Su misión fundamental es recoger las instrucciones que componen un programa, interpretarlas y controlar su ejecución. Podríamos resumirlo en tres  pasos:

1- Recibir las instrucciones almacenadas en la unidad de memoria en el orden establecido.

 2-Identificar de qué instrucción se trata en cada caso.

 3- Generar la secuencia adecuada de órdenes para el resto de  elementos funcionales que   constituyen el ordenador, de manera que cada  instrucción se ejecute correctamente.

Para realizar todas estas operaciones, la UC dispone de pequeños espacios de almacenamiento denominados registros, ademas de los registros la UC  dispone de otros elemento: .[pic 10]

• R.de Datos de memoria. Su función es guardar los datos mientras se realizan las operaciones de escritura o de lectura.
• R. de Direcciones de memoria. Su función es guardar las  direcciones donde se va a escribir o de donde se van a leer los datos.  Su contenido está siempre disponible en la salida, sobre el bus de  direcciones.
• R. de instrucción. Es el encargado de almacenar la instrucción que se está ejecutando

• R. contador de programas . Se encarga de almacenar la dirección de la instrucción de la siguiente instrucción a ejecutar.

• R. estado.  Contiene información sobre el resultado de la operación anterior y de posibles situaciones anómalas o especiales.

• Reloj.  Sincroniza todas las operaciones elementales del computador.Es un circuito oscilador que genera automáticamente una señal en forma de pulsos constantes. La señal de reloj determina el menor tiempo que puede durar una operación elemental. Se llama período a la duración del tiempo elemental entre dos pulsos consecutivos del reloj. El período de esta señal se denomina tiempo de ciclo . La frecuencia del reloj, que se suele dar en millones de ciclos por segundo o Megahercios -Mhz-, es un parámetro que determina en parte la velocidad del funcionamiento del computador.

• Controlador y decodificador. Controla el flujo de instrucciones de la CPU e interpreta la instrucción para su posterior procesamiento. Se encarga de extraer el código de la operación de la instrucción en curso.

• Secuenciador. Genera las micro órdenes necesarias para ejecutar la instrucción.

Unidad Aritmético-Lógica (ALU).

Es la que se encarga de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético ( (+,-,*,/,etc) y de tipo lógico (and, or, not, comparaciones,etc) y de otro tipo (rotaciones, desplazamientos sobre grupos de bits,etc).requeridas para la ejecución de los programas.

A través de un bus interno se comunica con la UC,  la cual le envia los datos y le indica la operación a realizar.

Los elementos más importantes de la ALU son:[pic 11]

• Circuito operacional

• Registros de entrada (REN)

• Registro acumulador

• Registro de estado (flags)

Circuito operacional. Contiene los circuitos necesarios para la realización de las operaciones con los datos procedentes de los registros de entrada (REN). Este circuito tiene unas entradas de órdenes para seleccionar la clase de operación que debe realizar en cada momento (suma, resta, etc).

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