Las unidades funcionales de un ordenador

1. Unidades funcionales

• Las unidades funcionales de un ordenador son los dispositivos de entrada/salida, la memoria y la CPU, compuesta por la ALU y la UC.

1. Memoria

• La memoria almacena instrucciones y datos.
• Las instrucciones máquina pueden ser:

• De transferencia (mov, in, out): invervienen la memoria y las E/S.
• De operaciones (add, and): interviene la ALU.
• De control (jmp, call, ret, set): interviene la UC.

• En memoria todo son datos, que pueden ser interpretados como un programa si se leen en la etapa de captación.
• La memoria principal es la RAM y la secundaria los discos del equipo.
• Tipicamente, la longitud de palabra es de 1B (byte), ya que no hay necesidad de empaquetamiento de cadenas, pero hay que tener cuidado con el alineamiento y el ordenamiento.
• Hay dos criterios a la hora de ordenar las palabras: little-endian, primero se almacena el byte menos significativo, o big-endian, primero el byte más significativo.
• Una palabra de considera alineada cuando comienza en una dirección de memoria múltiplo de su tamaño en bytes, es decir, una palabra de 16bits (2B), estaría alineada si empieza en una dirección múltiplo de 2 y una de 64bits (8B) en una múltiplo de 8.

1. Dispositivos de entrada/salida

• Las entradas se ocupan de codificar la información operador que se pasa por teclado y raton (entre otros), de recuperar la información previamente almacenada en discos y de comunicar equipos mediante módems o tarjetas de red.
• Las salidas codifican la información resultado, la almacenan para su uso posterior y comunican equipos.

1. CPU

• La unidad aritmetico-lógica (ALU) es el componente más rápido del ordenador junto con la UC y se encarga de todas aquellas operaciones que sean aritméticas (add, mul, ...) o lógicas ( and, rol, …).
• Las operaciones ALU admiten n operandos, m de ellos en memoria (clasificación m/n).
• El almacenamiento de la ALU está compuesto por una pila (0/0), un acumulador (1/1) y registros de propósito general(x/2, x/3).
• Los RPG tienen distintas arquitecturas:

• Arquitectura R/R: Registro/Registro (0/2, 0/3), es típica de RISC (pocas y sencillas instrucciones).
• Arquitectura R/M: Registro/Memoria (1/2, 1/3 o 2/3 aunque ésta es menos frecuente), es típica de CISC (instrucciones más complejas).
• Arquitectura M/M: Memoria/Memoria (2/2, 3/3 aunque ésta es menos frecuente), aunque permite operar directamente en memoria, provoca demasiados accesos a memoria por instrucción máquina.

• La unidad de control (UC) controla todos los demás circuitos.

1. Conceptos básicos de funcionamiento

• Se carga el programa en la memoria principal.
• El contador de programa (PC) apunta a la siguiente instrucción a realizar.
• En la fase de captación (fetch) se guarda la instrucción en el registro de instrucción (IR), metiendo PC → registro de direcciones (AR), lo que hay en esa dirección (M(AR)) → registro de datos (DR) y DR → IR; después se incrementa el contador de programa.
• Después viene la fase de decodificación, en la que se interpretan los datos del programa.
• En la fase de operación se llevan los datos a la ALU para que realice las operaciones necesarias.
• Finalmente, en la fase de almacenamiento, se guardan los resultados en registros o en memoria.

1. Estructuras de bus

• Los distintos componentes del ordenador deben conectarse para pasarse datos y lo hacen mediante el bus de direcciones, el bus de datos y el bus de control.
• En la estructura del bus único el CPU escribe en el bus de dirección y lee y escribe en el de control.
• Las entradas/salidas y la memoria comprueban la dirección antes de conectarse al bus de datos para evitar cortocircuitos en ese bus.
• Esta estructura es sencilla, barata, flexible y facilita la conexión de nuevos dispositivos.
• La estructura de buses múltiples está formada típicamente por un bus sistema que conecta memoria y procesador y un bus que conecta las E/S con el procesador.
• También puede haber distintos buses de E/S, separando los dispositivos por velocidades y un doble bus sistema.
• Sus ventajas son su velocidad gracias al paralelismo y sus inconvenientes su coste y complejidad.

1. Rendimiento

• La fórmula del rendimiento es: [pic 1]
• T es el tiempo para ejecutar el programa benchmark.
• N es el número de instrucciones.
• S es el número de ciclos por instrucción.
• R es la frecuencia de los ciclos (ciclos/segundo o Hz).

• Un programa con un buen rendimiento es aquel con una T baja.

1. Perspectiva histórica

• En la 2ª Guerra Mundial nacen la tecnología de relés electromagnéticos, las tablas de logaritmos y las funciones trigonométricas.
• En la 1ª Generación (1945 – 1955), o la de los tubos de vacío, nace la estructura de Von Neumann y el concepto de programa almacenado en memoria.
• También se desarrollan los tubos de vacío 100-1000x que mejoran la velocidad de procesamiento, las memorias de líneas de retardo de mercurio y núcleos magnéticos y las tarjetas perforadas y cintas magnéticas para las E/S.
• Además, se crea el lenguaje máquina y ensamblador.
• En la 2ª Generación (1955 – 1965), o la de los transistores, el Bell AT&T mejora la velocidad de procesamiento aún más, nace el compilador FORTRAN y los procesadores de E/S en paralelo con la CPU.
• En la 3ª Generación (1965 – 1975), o la de los circuitos integrados, la velocidad del procesador sigue aumentando, se desarrollan la microprogramación, la segmentación y la memoria caché y nacen los SO multiusuario y la memoria virtual.
• En la 4ª Generación se crea el microprocesador y nuevo hardware como Pcs, portátiles y redes y se mejoran las arquitecturas de la 3ª.
• En la actualidad ha nacido Internet, el paralelismo se ha desarrollado de una forma brutal y los Pcs son potentes y asequibles para cualquier familia.

...