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Componentes y funcionamiento de la
computadora (alto nivel)
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Componentes de la computadora
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Introducción. Principales componentes de la computadora:
Procesador (CPU).
Memoria principal.
Módulos de entrada salida.
Intercambian datos y señales de control Bus compartido (conjunto de líneas).
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Introducción. Mediante la interconexión de los anteriores componentes se
lleva a cabo la función básica de la computadora, Ejecutar programas.
La computadora se puede describir,
Por el comportamiento de cada uno de sus componentes (datos
y señales que intercambian entre ellos).
Estructura de interconexión y los controles necesarios para
gestionar la estructura.
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Componentes
Diseño de Neumann basado en tres conceptos claves,
Datos e instrucciones se almacenan en una sola memoria de
Lectura/Escritura.
La memoria se direcciona indicando su posición (no importa el
tipo de dato contenido).
La ejecución se produce se manera secuencial.
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Componentes Existen componentes lógicos básicos que pueden
combinarse para almacenar datos y realizar operaciones aritméticas y lógicas con esos datos.
Para cálculos concretos es posible utilizar
configuraciones de componentes específicos o,
Utilizar diversos componentes para obtener una
configuración deseada.
Hardwire program
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Componentes En una configuración de HW de uso general para
funciones lógicas y aritméticas, se realizarán diferentes funciones según las señales de control aplicadas.
En un HW específico Se aceptan datos y se producen
resultados.
Con HW de uso general, el sistema acepta datos y
señales de control produce resultados según las
señales de control.
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Componentes En lugar de reconfigurar HW, se utilizan secuencias de
código que son transformada en instrucciones que son transformadas a señales de control mediante HW.
Para lo anterior es necesario módulos de entrada que
capten los datos e instrucciones y módulos de salida que
muestren los resultados E/S.
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Componentes Habrá operaciones en que se necesite acceder a más de
un operando.
Por lo que es necesario un espacio donde guardar de manera temporal las instrucciones y datos.
Memoria principal.
Según Neumann esos datos e instrucciones podían ser guardados en una misma memoria.
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Funcionamiento de la computadora
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Funcionamiento Función básica de la computadora ejecución de
programas almacenados en memoria.
El procesador es el encargado de ejecutar las instrucciones de estos programas.
Dos etapas de ejecución:
Captación.
Ejecución.
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Funcionamiento Ciclo de instrucción básico.
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Funcionamiento La CPU utiliza un registro llamado PC (program counter)
para saber que instrucción se ejecutará a continuación. La CPU incrementa el PC después de captar cada instrucción.
P.e. Suponemos que PC = 300 el CPU captará la próxima
instrucción en la dirección 300.
En los siguientes ciclos de instrucción captará las instrucciones
almacenadas en las posiciones 301, 302, 303, etc…
La secuencia anterior puede ser alterada.
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Funcionamiento
La CPU utiliza un registro llamado IR (instruction register) para almacenar la instrucción captada.
Esta instrucción es escrita utilizando un código binario que especifica la acción que el CPU realizará.
La CPU interpreta esta instrucción y lleva a cabo la
acción requerida.
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Funcionamiento Las acciones generalmente pueden ser de cuatro tipos,
Procesador – Memoria transferencia de datos.
Procesador – E/S transferencia de datos.
Procesamiento de datos operación aritmética o lógica con
datos.
Control alteración de secuencia de instrucciones.
La ejecución de una instrucción puede implicar más de
una acción.
Ejemplo:
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Funcionamiento En el ejemplo anterior se utilizan 3 ciclos de instrucción,
cada uno con su ciclo de captación y ciclo de ejecución para la suma de la localidad 940 y 941.
Con algunas instrucciones más complejas, el ciclo de
ejecución puede ocasionar más de una referencia a
memoria (o E/S).
Por lo que se proporcionar una visión más detallada del
ciclo de instrucción básico.
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Interrupciones En todas las computadoras se dispone de mecanismos
mediante los cuales otros módulos (E/S, memoria) pueden interrumpir el procesamiento normal de la CPU.
Mediante interrupciones se obtiene eficiencia de
procesamiento dispositivos E/S lentos.
P. e. Suponga la transferencia de datos a una impresora, después de
cada operación de escritura tendrá que parar su ejecución y
permanecer ocioso hasta que la impresora complete la escritura.
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Interrupciones Con el uso de las interrupciones el CPU puede dedicarse a ejecutar
otras instrucciones mientras una operación de E/S esta en curso.
Cuando un dispositivo esta preparado (p.e. ha terminado una
operación y esta listo para aceptar más datos del CPU) envía una
señal de petición de interrupción el CPU.
El procesador suspende la operación del programa en ejecución y
salta al programa del gestor de interrupción.
Una vez que atiende al dispositivo el CPU prosigue con la ejecución
del programa pendiente.
El CPU y el SO son los encargados de gestionar el mecanismo de interrupciones.
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Interrupciones
Si hay alguna interrupción pendiente el CPU hace lo siguiente,
Suspende la ejecución del programa en curso y guarda su
contexto.
Carga el PC con la dirección de comienzo de una rutina de
gestión de interrupción.
Cambio de contexto vs. Tiempos de E/S
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Interrupciones múltiples
Suponga dos dispositivos produciendo interrupciones frecuentemente.
Línea de datos interrumpiendo cada vez que llega una unidad
de datos.
Impresora generando interrupción cada vez que finaliza una
escritura.
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Interrupciones múltiples
Alternativas,
Interrupción inhabilitada.
Prioridades de interrupciones.
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Estructuras de interconexión
La computadora esta constituida por unidades que se comunican entre sí.
Lo anterior presenta una necesidad de líneas de interconexión estructura de interconexión.
El diseño de esta estructura depende de los intercambios entre las unidades.
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Estructuras de interconexión Intercambios:
Memoria una palabra de datos puede leerse de o escribirse
en la memoria. El tipo de operación se indica con las señales de
control Read y Write.
Módulo de E/S operaciones leer y escribir, obtención de datos
desde dispositivos externos/internos y señales de interrupción.
Procesador lee instrucciones y datos, escribe datos
procesados, utiliza señales para controlar el funcionamiento y
recibe señales de control.
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Estructuras de interconexión La estructura de interconexión debe soportar las
siguientes transferencias:
Memoria a procesador.
Procesador a memoria.
E/S a procesador.
Procesador a E/S.
Memoria a E/S y viceversa.
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Interconexión con buses Bus camino de comunicación entre dos o más
dispositivos. Características:
Es un medio de transmisión compartido.
Cualquier señal transmitida por uno de los varios dispositivos
conectados esta disponible para los demás.
Las señales pueden solaparse o distorsionarse, por lo que sólo
un dispositivo puede transmitir exitosamente en un momento
dado.
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Interconexión con buses
Usualmente un bus esta constituido por varias líneas.
Cada línea es capaz de transmitir señales binarias (0 y 1).
En un intervalo de tiempo se puede transmitir una secuencia de
dígitos a través de una sola línea.
Es común utilizar varias líneas del bus para transmitir dígitos
binarios simultáneamente (en paralelo).
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Interconexión con buses Las computadoras poseen varios tipos de buses que
proporcionan comunicación a distintos niveles dentro de la jerarquía del sistema.
El bus que conecta los componentes principales de la computadora es llamado bus del sistema.
Normalmente se las estructuras de interconexión en una computadora están basadas en el uso de uno o más buses del sistema.
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Interconexión con buses El bus esta constituido usualmente por entre cincuenta y
cien líneas.
Cada una de las líneas tiene un significado y función especial.
Es posible clasificar estas líneas, Líneas de datos.
Líneas de direcciones.
Líneas de control.
Pueden existir algunas líneas de alimentación.
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Interconexión con buses Líneas de datos (bus de datos),
Camino para transmisión de datos entre módulos del sistema.
Puede incluir 32 o más líneas anchura del bus de datos.
La anchura determina el número bits que se pueden transmitir al
mismo tiempo.
Si el bus tiene una anchura de 8 bits y las instrucciones son de
16 bits, el procesador accederá al módulo de memoria dos veces
por cada ciclo de instrucción.
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Interconexión con buses Líneas de dirección,
Utilizadas para determinar la fuente o destino del dato situado
en el bus de datos.
La anchura del bus de direcciones determina la capacidad de
memoria disponible del sistema.
Se utilizan también para direccionar puertos de E/S.
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Interconexión con buses Líneas de control,
Utilizadas para controlar el acceso y el uso de las líneas de
datos y de direcciones (debido a la compartición del bus por las
unidades del sistema).
Transmiten órdenes e información de temporización entre los
módulos del sistema (las señales de temporización indican la
validez de los datos y direcciones).
Las señales de órdenes indican las operaciones a realizar.
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Interconexión con buses Líneas de control típicas,
Escritura/lectura en memoria.
Escritura/lectura E/S.
Transferencia reconocida.
Petición de bus y asignación de bus (bus grant).
Petición de interrupción.
Interrupción reconocida.
Reloj sincronización de operaciones.
Inicio (reset) poner módulos en su edo. inicial.
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Interconexión con buses Si un módulo requiere enviar un dato a otro módulo,
Obtiene el bus.
Transfiere el dato a través del bus.
Si un módulo requiere pedir un dato a otro módulo, Obtiene el bus.
Transfiere la petición al otro módulo a través de las líneas de
control y direcciones apropiadas.
Después debe esperar a que el segundo módulo envíe el dato.
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Interconexión con buses
Físicamente el bus del sistema es un conjunto de conductores eléctricos paralelos.
Líneas de metal grabadas en una tarjeta (circuito impreso.
El bus se extiende a través de todos los componentes del sistema.
