Unidad I.- Arquitectura De Cómputo

1.1 Modelos de arquitectura de cómputo

1.1.1 Clásicas………………………………………………………………………………………………..3

1.1.2 Segmentadas……………………………………………………………………………………… 3,4

1.1.3 De Multiprocesamiento…………………………………………………………………………4

1.2 Análisis de los componentes

1.2.1 CPU…………………………………………………………………………………………………….5

1.2.1.1 Arquitecturas……………………………………………………………………………………..5

1.2.1.2 Tipos………………………………………………………………………………………………..5

1.2.1.3 Características…………………………………………………………………………………….6

1.2.1.4 Funcionamiento (ALU, unidad de control, Registros y Buses internos)…6, 7, 8

1.2.2 Memoria

1.2.2.1 Conceptos básicos del Manejo de la Memoria……………………………………….9

1.2.2.2 Memoria Principal Semiconductora…………………………………………………….10

1.2.2.3 Memoria Caché………………………………………………………………………………10, 11

1.2.3 Manejo de la Entrada/Salida

1.2.3.1 Módulos de Entrada/Salida…………………………………………………………………11

1.2.3.2 Entrada/Salida Mediante Interrupciones…………………………………………......12

1.2.3.3 Acceso Directo a Memoria………………………………………………………………...12

1.2.3.4 Canales y Procesadores de Entrada/Salida………………………………………......13

1.2.4 Buses

1.2.4.1 Tipos de Buses………………………………………………………………………………….13

1.2.4.2 Estructura de los Buses…………………………………………………………………..….13

1.2.4.3 Jerarquías de los Buses……………………………………………………………………….14

1.2.5 Interrupciones………………………………………………………………………………………………..14

Arquitectura de Computadoras

1.1 Modelos de arquitecturas de cómputo.

1.1.1.- Arquitecturas Clásicas.

Estas arquitecturas se desarrollaron en las primeras computadoras electromecánicas y de tubos de vacío. Aun son usadas en procesadores empotrados de gama baja y son la base de la mayoría de las arquitecturas modernas.

Arquitectura Mauchly-Eckert (Von Newman)

La principal desventaja de esta arquitectura, es que el bus de datos y direcciones único se convierte en un cuello de botella por el cual debe pasar toda la información que se lee de o se escribe a la memoria, obligando a que todos los accesos a esta sean secuenciales. Esto limita el grado de paralelismo (acciones que se pueden realizar al mismo tiempo) y por lo tanto, el desempeño de la computadora. Este efecto se conoce como el cuello de botella de Von Newman.

Los elementos principales de un computador son: La unidad de procesamiento central (CPU), la memoria principal, el subsistema de entrada y salida y algunos medios de interconexión de todos estos componentes. La CPU, por su parte consta de una unidad de control, una unidad aritmético-lógica (ALU), registros internos e interconexiones.

1.1.2.- Arquitecturas Segmentadas.

Las arquitecturas segmentadas o con segmentación del cauce buscan mejorar el desempeño realizando paralelamente varias etapas del ciclo de instrucción al mismo tiempo.

El procesador se divide en varias unidades funcionales independientes y se dividen entre ellas el procesamiento de las instrucciones.

Ø Segmentación o Entubamiento: Consiste en dedicar unidades específicas del procesador a cada una de las partes del ciclo de instrucción y ejecutarlas paralelamente.

Ø Segmentación del Cause: La unidad de control se subdivide en dos o más funcionales, cada encargada de llevar a cabo una parte del ciclo de instrucción.

Ø Segmentación del Cause (2): La mejora en el rendimiento no es proporcional al número de segmentos en el cauce debido a que cada etapa no toma el mismo tiempo en realizarse, además de que se puede presentar competencia por el uso de algunos recursos como la memoria principal.

1.1.3.- Arquitecturas de Multiprocesamiento.

Cuando se desea incrementar el desempeño más allá de lo que permite la técnica de segmentación del cauce (limite teórico de una instrucción por ciclo de reloj), se requiere utilizar más de un procesador para la ejecución del programa de aplicación.

Los Procesadores vectoriales son computadoras pensadas para aplicar un mismo algoritmo numérico a una serie de datos matriciales, en especial en la simulación de sistemas físicos complejos.

Tales como simuladores para predecir el clima, explosiones atómicas, reacciones químicas complejas, etc., donde los datos son representados como grandes números de datos en forma matricial sobre los que se deben se aplicar el mismo algoritmo numérico.

Sistemas SMP (Multiprocesadores Simétricos) son varios procesadores que comparten la misma memoria principal y periféricos de I/O, normalmente conectados por un bus común.

Se conocen como simétricos, ya que ningún procesador toma el papel de maestro y los demás de esclavos, sino que todos tienen derechos similares en cuanto al acceso a la memoria y periféricos y ambos son administrados por el sistema operativo.

Clúster es un conjunto de computadoras independientes conectadas en una red de área local o por un bis de interconexión y que trabajan cooperativamente para resolver un problema.

Las CPU de multiprocesamiento:

Ø SISO – (Instrucción Simple de un Solo Operando) computadoras independientes.

Ø SIMO – (Una Sola Instrucción de Múltiples Operando) procesadores vectoriales.

Ø MISO – (Instrucción Múltiple de un Solo Operando) No implementado.

Ø MIMO – (Instrucción Múltiple de Múltiple Operando) sistemas SMP, Clúster.

1.2. Análisis de los componentes

1.2.1 CPU

La CPU (Unidad Central de Procesamiento) es el cerebro de las computadoras, su función es ejecutar programas almacenados en la memoria principal buscando sus instrucciones y examinándolas para después ejecutarlas una tras otra, los componentes están conectados por un bus.

La unidad Central de Proceso (CPU) contiene una serie de registros de memoria que contienen los operando y el resultado de las operaciones.

Los datos de los registros generales que contienes los operando se llevan a los registros de entrada de la unidad Aritmético-Lógico (ALU), la cual realiza la operación sobre los datos de entrada.

La CPU se compone de varias partes: la unidad de control se encarga de buscar instrucciones de la memoria principal y determinar su tipo, la unidad aritmética y lógica realiza operaciones como suma y AND necesarias para ejecutar los programas.

También contiene una memoria pequeña de alta velocidad que sirve para almacenar resultados temporales. Esta memoria se compone de varios registros, cada uno de los cuales tiene cierto tamaño y función.

Cada registro puede contener un número, los registros pueden leerse y escribirse a alta velocidad. El registro más importante es el “contador del programa” (PC), otro registro importante es el “registro de instrucciones” (IR).

Casi todas las instrucciones pueden dividirse en una de dos categorías; registro-memoria o registro-registro. Las instrucciones registro-memoria permiten buscar palabras de la memoria a los registros. Una instrucción registro-registro busca dos operando de los registros, los coloca en los registros de entrada de la ALU, realiza algunas operaciones con ellas y coloca el resultado en uno de los registros.

EL proceso de hacer pasar dos operando por la ALU y almacenar el resultado se llama “ciclo del camino de datos” y es el corazón de casi todas las CPU.

1.2.1.2 Tipos de CPU

Ø Por tamaño del ALU o del Bus de conexión al exterior (8, 16, 32, 64 bits).

Ø De cause segmentado o no segmentado.

Ø Von Newman o Harvard

Ø Instrucciones enteras y/o de punto flotante

Arquitectura de Harvard

1.2.1.3.- Características:

v Captar instrucción: La CPU lee una instrucción de memoria

v Interpretar instrucción: la instrucción se decodifica para determinar qué acción es necesaria.

v Captar datos: La ejecución de una instrucción puede exigir llevar a cabo alguna instrucción aritmética o lógica con datos.

v Escribir datos: Los resultados de una ejecución puede exigir leer datos en la memoria o en un módulo de E/S.

La CPU necesita almacenar información temporalmente, debe recordar la posición de la última instrucción, de forma que pueda saber a dónde ir a buscar la siguiente. Necesita almacenar instrucciones y datos temporalmente mientras una instrucción está ejecutándose.

La ALU lleva a cabo el verdadero cálculo o procesamiento de datos, la ALU solo opera con datos de memoria interna del CPU. La ALU puede tener acceso a los MBR y a los registros visibles para el usuario.

1.2.1.4 Funciones

Todos los CPU

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