Elementos funcionales de un ordenador digital
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SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” Tema 2: Elementos funcionales de un ordenador digital 1. Introducción ___________________________________________________________ 1 2. La Unidad Central de Proceso (UCP /CPU) ___________________________________ 3 La unidad aritmético lógica, (UAL / ALU)______________________________________ 3 La unidad de control (UC / CU) ______________________________________________ 4 3. Memoria ______________________________________________________________ 4 4. Unidades de Entrada / Salida ______________________________________________ 6 5. Buses ________________________________________________________________ 10 6. Bibliografía ___________________________________________________________ 11 1. Introducción El computador es un sistema muy complejo que precisa de varios niveles de abstracción para su estudio. En el nivel más alto se definen los componentes estructura y funcionamiento de este, independientemente de la construcción física La arquitectura de un ordenador define su modelo funcional, el modelo básico de arquitectura en la que se basan hoy en día la mayoría de los fabricantes, aunque con pequeñas modificaciones, fue descrita en 1946 por el físico John Von Newmann. Es adecuado presentar esta arquitectura en este tema para identificar los principales componentes del computador como son la Unidad Central de Proceso (U.C.P), la memoria, la unidades de E/S, los periféricos y como interactúan entre ellos. Desde un punto de vista físico los componentes de un sistema informático pueden ser: 9 Memoria principal: es una matriz de almacenamiento donde cada celda se identifica por una dirección. Cada celda suele estar formada por un conjunto de bits que son el elemento básico de información y cuyos valores (0,1) corresponde a estados de tensión bien diferenciados. Todas las celdas son del mismo tamaño y se emplean para almacenar las instrucciones de los programas como los datos que usan estos 9 Unidad central de procesamiento, (U.C.P): está formada por la U.C + A.L.U + los registros y todo esto se encapsula dentro de un chip llamado microprocesador. La C.P.U es la encargada de captar, realizar los cálculos y ejecutar las instrucciones Unidad de control: se encarga de leer una tras otra las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal y de generar las señales de control necesarias para que todo el computador funcione y ejecute las instrucciones leídas. Unidad aritmético lógica (A.L.U): es el módulo encargado de realizar cálculos y procesar los datos, estos provienen de la memoria principal. Registros: elementos de memorización que contienen información relativa al programa que se está ejecutando y al control del propio procesador Fernando Mollinedo Aranda Página 1 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” 9 Unidades de E/S: realizan la transferencia de información con unidades exteriores llamadas periféricos, lo que nos permite cargar datos y programas en memoria principal y sacar resultados. 9 Unidades periféricas: podemos distinguir dos grandes grupos: las memorias auxiliares, que sirven de soporte de almacenamiento de gran capacidad y como medio de comunicación con el interior del sistema las unidades de comunicación, comunican el sistema con el medio exterior, pudiendo diferenciar dos tipos: • • unidades de comunicación local (impresoras, pantallas, tarj. de sonido, …) unidades de comunicación remota (módems, tarjetas de red, …) 9 Buses: caminos a través de los cuáles las instrucciones y datos circulan entre las distintas unidades del ordenador. Por tanto podemos decir que la CPU es un sistema y como todo sistema consta de unos componentes con unas funciones bien definidas que se conectan e interconectan entre sí, dando lugar a una estructura que busca la consecución de un objetivo común. Esquema de la estructura de Von Newmann: CP UAL UC AC R D R E RT MEMORIA BUS DIR RI RM BUS DATOS PERIFÉRICO 1 INTERFAZ E/S UNIDAD DE E/S PERIFÉRICO N Caminos por los que circulan las señales de control Caminos por los que circulan instrucciones y datos Fernando Mollinedo Aranda Página 2 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” 2. La Unidad Central de Proceso (UCP /CPU) Como hemos mencionado anteriormente la CPU, es el conjunto formado por la unidad de control, los registros y la unidad aritmético lógica La unidad aritmético lógica, (UAL / ALU) Es la encargada de tratar los datos, ejecutando las operaciones requeridas, de acuerdo al programa en curso, según la unidad de control vaya enviándole los datos correspondientes e indicándole que operación debe realizar. Las operaciones que está unidad puede realizar son muy elementales, se pueden clasificar en desplazamiento, lógicas, manipulación de signo y aritméticas La ALU se compone de un conjunto de operadores, de un conjunto de registros, de unos biestables de estado y en algunos casos de un órgano secuenciador. Un operador es un circuito electrónico capaz de realizar una operación aritmética o lógica, es decir, una unidad funcional capaz de realizar una o varias operaciones como suma, resta, and, or, desplazamiento, … Los operadores los podemos clasificar, según • Ámbito de los operadores, pueden dividirse en generales y especializados. Los generales pueden realizar distintas clases de operaciones, mientras que los especializados se restringe a una sola clase. (Evolución tecnológica varios operadores especializados) • Realización de un operador, operador combinacional (hace uso de circuitos digitales combinacionales), no tiene elementos de memoria, por lo que suministra la respuesta siempre que los operandos se mantengan fijos en las entradas y operador secuencial, requiere de varias fases para obtener el resultado debiendo contar con elementos de memoria para almacenar la información que debe transmitirse entre fases (hace uso de circuitos digitales secuénciales) • Número de operandos del operador, existen operaciones monádicas (negación) y diádicas (suma). • Paralelismo del operador, número de dígitos con los que opera simultáneamente, podemos hablar de operador paralelo, es un operador de palabra o serie, es un operador de dígito. La ALU está generalmente dotada de unos biestables, llamados de estado que almacenan ciertas condiciones relativas a la última operación realizada por ella. Suelen encontrarse los siguientes: Z(cero):se pone a cero si el resultado es cero N(negativo): se pone a uno si el resultado es negativo C(acarreo): se pone a uno si el resultado tiene acarreo O(desbordamiento): se pone a uno si el resultado tiene desbordamiento Fernando Mollinedo Aranda Página 3 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” A veces la ALU se construye con un órgano secuenciador que se encarga de dirigir las fases necesarias para la realización de las operaciones que tenga encomendadas, esto suele ocurrir en computadores muy potentes, en los que la ALU está formada por varios operadores que pueden funcionar en paralelo o microprocesadores con coprocesador matemático. Estas ALUs suelen realizar operaciones complejas (compuestas de varias simples) La unidad de control (UC / CU) Capta las instrucciones, las interpreta, capta los operandos y los lleva a los circuitos adecuados de la unida de procesamiento, envía las señales oportunas a la ALU para completar las operaciones implicadas en la instrucción y ordena el almacenamiento de los resultados en el destino correspondiente. La UC realiza las funciones mencionadas anteriormente generando señales de control o micro-órdenes, de forma sincronizada por un temporizador Se suelen usar dos metodologías para diseñar la unidad de control: 9 de lógica cableada, basada en la utilización de puertas lógicas y técnicas de diseño de sistemas secuénciales y combinacionales 9 microprogramación, consiste en almacenar en una memoria las micro-ordenes 3. Memoria Podemos referirnos a la memoria como cualquier dispositivo que almacena información para su uso posterior, según esto podemos clasificarla en: • memoria principal, parte del ordenador que mantiene las instrucciones y los datos sobre los que se está operando • dispositivos de almacenamiento secundario, otros recursos capaces de almacenar información, esta debe ser transferida a la memoria principal antes de poder ser usada Sobre la memoria solo se pueden realizar dos operaciones básicas que son la lectura y la escritura. Casi todas las memorias utilizan el almacenamiento binario, es decir, que la información más elemental registrada es el bit, a cuyo soporte físico llamamos punto de memoria, en función de la tecnología empleada por el fabricante para crear el punto de memoria nos define los distintos tipos de memoria En función de la velocidad de acceso y la capacidad podemos jerarquizar las memorias en: Registros: accesos aleatorios, de muy baja capacidad, enormemente rápidos, se fabrican con semiconductores, se accede por palabra. Memoria caché: accesos aleatorios, de baja capacidad, muy rápidas, se fabrican con semiconductores y se accede por palabra. Dos tipos: 9 De nivel 1, se aloja dentro de la CPU y funciona a su misma velocidad Fernando Mollinedo Aranda Página 4 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” 9 De nivel 2, puede estar dentro o fuera de la CPU, suele tener una velocidad algo menor que la CPU Memoria principal: acceso aleatorio, capacidad alta, velocidad de acceso de unos pocos ns, se fabrican con semiconductores y se accede por palabra Memoria secundaria de disco: acceso aleatorio por sectores, muy alta capacidad, tiempo de acceso en ms, se fabrica en disco de plato y cabeza móvil Memoria auxiliar: más lentos que la memoria secundaria, alta capacidad, acceso en varias centenas de ms, podemos encontrar dispositivos de acceso secuencial (cintas) y aleatorio (CD-ROM, DVD-ROM, DVD-RAM, memorias flash, …) Componentes de las memorias: Medio o soporte, elemento físico que actúa como contenedor de la memoria, debe cumplir tres condiciones: 9 Debe presentar al menos, dos estados estables, que se puedan medir 9 Se de poder pasar de un estado a otro mediante la aplicación de una energía externa 9 Se debe poder detectar el estado existente en cualquier momento Podemos clasificarlos los medios en función del tiempo que la información permanece sobre ellos grabada, en: 9 No volátiles, la información permanece en los puntos de memoria para siempre a no ser que se escriba sobre ellos 9 Volátiles, cuando no se suministra energía la información desaparece 9 Con refresco, aunque la memoria este alimentada la información se va gradando paulatinamente, deben rescribirse periódicamente 9 De lectura destructiva, cada vez que se lee se destruye la información 9 De sólo lectura, la información solo se puede grabar una vez, generalmente durante el proceso de fabricación Transductores, son los dispositivos capaces de generar la energía necesaria para la grabación, así como para la detección del estado en la lectura. 9 memorias estáticas, los transductores están unidos físicamente al medio 9 memorias dinámicas, los transductores no están unidos al medio (transductor o el punto de memoria o ambos se desplazan) Mecanismos de direccionamiento, permiten leer y escribir la información en el lugar y tiempo deseado 9 En memorias estáticas, el mecanismo de direccionamiento está implícito en su propia construcción (memorias con direccionamiento cableado) Fernando Mollinedo Aranda Página 5 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” 9 En memorias dinámicas, no existe relación entre el punto de memoria y transductor, realizándose la selección a través de la CPU, que debe interpretar la información de direccionamiento que se almacena junto con los datos Otras características: Tamaño o capacidad, máxima cantidad de información que se puede almacenar 9 Memorias estáticas hay una relación entre la capacidad y la cantidad de bit necesarios para su direccionamiento(M palabras n bit de dirección M≤2n) 9 Memorias dinámicas, hay que distinguir la capacidad bruta de la neta, ya que la bruta además de los datos de usuario incluye el direccionamiento y la señal de sincronismo Modo de acceso 9 Acceso por palabras o RAM (Random Access Memory), solo se usa en las memorias estáticas, dada la estructura cableada el tiempo para acceder a cualquiera de sus puntos es el mismo 9 Acceso por bloques, se usa en memorias dinámicas, tardan más en acceder al primer dato de un bloque que en recuperar los siguientes Velocidad, es volumen de datos que por unidad de tiempo que es capaz de transferir en una operación de escritura o lectura, se suele dar en múltiplos de byte por segundo 4. Unidades de Entrada / Salida El concepto de E/S hace referencia a toda comunicación o intercambio de información entre la CPU o memoria central con el exterior. En el sistema de E/S encontramos dos partes fundamentales: Memoria Periférico 1 Interfaz de E/S Periférico N CPU UNIDAD DE E/S Interfaz de E/S: es un interfaz hardware/software que permite la comunicación entre el periférico y la CPU o memoria central, es decir, el conjunto de circuitos y programas que se utilizan para resolver las diferencias que pueden existir entre el procesador central y cada uno de los periféricos, estas se pueden producir Fernando Mollinedo Aranda Página 6 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” 9 Las velocidades de transmisión de los periféricos varían unos de otros siendo estas inferiores que la CPU 9 El formato de los datos que usan los periféricos puede ser distinto que el formato de palabra de la CPU 9 El modo de operación de muchos periféricos difiere del de la CPU y la memoria ya que son dispositivos electrónicos que deben sincronizarse, principalmente en el momento de la comunicación Periféricos: dispositivos electromecánicos, electromagnéticos o electrónicos que permiten la comunicación directa con el exterior. Tres tipos: 9 P. de memoria secundaria o auxiliar, dispositivos de almacenamiento masivo que permiten el traslado de información a memoria principal para ser procesada (cintas, HDD, etc.) 9 P. de E/S de datos en modo local, (impresoras teclados, pantallas, etc.) 9 P. de comunicación: permiten la comunicación con dispositivos remotos Para que se pueda llevar acabo el intercambio de información se deben realizar las siguientes tareas: Direccionamiento, selección del dispositivo de E/S implicado en una transferencia determinada: 9 Estructura de computador con buses separados para memoria y E/S Todos los dispositivos de E/S se conectan al bus de E/S, que consta de tres conjuntos de líneas, de direcciones, de datos, de señales de control y señal de sincronización. Si el bus de direcciones es de n líneas, se podrán indicar 2n direcciones distintas. Cada dirección representa una puerta de E/S. Cada periférico puede emplear una o varias puertas para comunicarse con la CPU La CPU puede seleccionar un dispositivo colocando su dirección en las líneas de dirección del bus, sólo aquel dispositivo conectado a la puerta que corresponda esta dirección deberá responder a las órdenes que la CPU dará a través de las señales de control Memoria BUS MEM BUS E/S CPU Interfaz E/S1 Periférico 1 Fernando Mollinedo Aranda Interfaz E/S m Periférico 2 Página 7 de 11 Periférico n Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” 9 Estructura de computador con E/S mapeada en memoria En las máquinas de bus único, el bus sirve tanto de bus de memoria como de bus de E/S, las puertas de E/S se tratan como si fuesen direcciones de memoria (E/S por mapa de memoria). Se suelen asignar a las puertas de E/S una zona contigua de memoria Memoria BUS E/S BUS MEM CPU Interfaz E/S1 Periférico 1 Periférico 2 Interfaz E/S m Periférico n Transferencia de datos desde o hacia el dispositivo seleccionado Los mecanismos para realizar la transferencia de información entre los dispositivos periféricos y la CPU o memoria principal son el control en el transito de datos y la sincronización en el tiempo, ambos mecanismos son complementarios Control del tránsito de datos: 9 E/S controlada por programa, la E/S de un dato se logra mediante la ejecución de unas instrucciones especiales que contiene el juego de instrucciones del computador que usa este método. Se usa con periféricos de velocidad menor que la CPU, la transferencia es de una palabra o un grupo reducido de estas 9 E/S por acceso directo a memoria, se usa en dispositivos periféricos de alta velocidad que deben transferir grandes bloques de datos. Todas las funciones que se realizan mediante un programa, aquí se realizan mediante un circuito controlador, denominado controlador de DMA (acceso directo a memoria). Este controlador permite la transferencia de datos directa entre el dispositivo y la memoria principal sin intervención de la CPU. Este controlador cuenta con: un registro para generar la dirección de memoria un registro contador para llevar la cuenta del número de palabras transferidas un registro para almacenar el comando de la CPU que especifica cual es la operación que debe realizarse un registro que se usa como buffer entre la memoria principal y el dispositivo Fernando Mollinedo Aranda Página 8 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” Conexión DMA en computador con bus único, el dispositivo de E/S se maneja mediante un controlador DMA dedicado Conexión DMA flotante con buses separados para e/s y memoria, podemos usar el controlador DMA para manejar más de un dispositivo de E/S BUS MEM Memoria CPU Controlador DMA BUS E/S Interfaz E/S Interfaz E/S Periférico Periférico Sincronización, para solucionar el problema de cómo conseguir que los periféricos estén permanentemente atendidos en sus demandas y ofrecimientos de información. Surgen diversos mecanismos de sincronización 9 Sincronización por consulta de estado (sondeo), la CPU es la encargada de la sincronización realizando periódicamente una encuesta a los dispositivos consultando su situación. Esto se realiza mediante la lectura de uno de los registros de la interfaz el periférico (registro de estado) que le indica la situación en la que se encuentra este. Problemas: periféricos rápidos, muestreo frecuente, se pierde tiempo de CPU en consultar dispositivos Fernando Mollinedo Aranda Página 9 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” 9 Sincronización mediante interrupciones, el uso de interrupciones permite que sean los propios dispositivos los que interrumpan la ejecución del programa en la CPU cuando están en disposición de participar en una operación de E/S. La interrupción se realiza a través de una línea especial del bus de control llamada INTR y se desencadena un proceso de interrupción 5. Buses Componentes de comunicación (enlaces y conmutadores): Un enlace es un componente que permite la comunicación entre dos o más dispositivos Un conmutador es un elemento encaminador de información que permite llevar a cabo bifurcaciones del tráfico de datos entre varios caminos a través de enlaces El elemento más corriente de comunicación en las computadoras es el bus, este consta de un camino que permite comunicar selectivamente un cierto número de dispositivos, de acuerdo a unas ciertas reglas de conexión. El bus, incluye los dos conceptos de enlace y conmutador ya que permite en cada momento, seleccionar los dispositivos que se comunican a través suyo. La operación básica del bus se denomina ciclo de bus y permite realizar una transferencia elemental entre dos de los dispositivos conectados a él Las principales características son: Banda base, la información se envía por el bus directamente, sin portadora Grado de paralelismo, puede ser serie, cuando solo permite transmitir bit a bit o paralelo, permitiendo transmitir simultáneamente toda una palabra Temporización, puede ser de ciclo completo o partido. En el ciclo completo se ocupa el bus durante todo el tiempo que dura la transmisión entre los dispositivos. En el ciclo partido se divide el tiempo del bus en una serie de pequeños periodos o ranuras (slots) cada uno de los cuales sirve para enviar un mensaje Modo de operación, referido a la forma en que se realiza el dialogo entre los dispositivos para realizar la transferencias, puede ser síncrono o asíncrono Longitud, el bus se diseña con una longitud máxima de acuerdo con su aplicación Velocidad, depende de su longitud, del medio empleado para hacer las conexiones y de la lógica de control. La velocidad de conexión multiplicada por el paralelismo nos da el caudal que es capaz de soportar Capacidad de conexión, número máximo de elementos que se pueden conectar al bus Fernando Mollinedo Aranda Página 10 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004 SIMM Tema2: “Elementos funcionales de un ordenador digital” Tipo de lógica, muchas veces se construyen con lógica negativa ya que la conmutación es más rápida y si el dispositivo está apagado de forma natural el valor negativo es correcto Soporte, el material empleado para hacer la conexión física de los distintos dispositivos(pistas de circuito impreso, cables, fibra óptica) Los buses se pueden clasificar en atención a su longitud y a su función dentro del equipo conmutador: Bus interno de un chip, ej, el que une la caché de nivel 2 con el núcleo del procesador Conector de componentes, ej, bus AGP que une la CPU con el controlador de pantalla Bus paralelo de E/S, ej, el bus SCSI 2 Bus serie, ej, conexión vía MODEM usando la norma RS-232-C 6. Bibliografía De Miguel Anasagasti, Pedro: “Fundamentos de los computadores”. 6ª Ed. Paraninfo, 1998 Stallings, William: “Organización y arquitectura de computadores”. 4ª Ed. Prentice Hall, 1997 Tanenbaum, Andrew S:”Organización de computadoras: un enfoque estructurado”. 3ª Ed. Prentice Hall, 1992 Zacker y Rourke: “Manual de referencia PC Hardware”. Ed. Mc Graw Hill K. Jamsa: “Super Utilidades para PC Hardware”. Ed. Mc Graw Hill Prieto, Alberto: “Introducción a la informática”. Ed. Mc Graw Hill Revistas especializadas: Byte, PcWorld Fernando Mollinedo Aranda Página 11 de 11 Últ. Revisión 28/1/2004
