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Arquitectura ordenador
Componentes físicos
   El hardware




         SIMM 2009-2010
Componentes físicos. El hardware
   Se pueden clasificar:
     Unidad aritmético-lógica( UAL)
     Unidad de Control (UC)

     Memoria Central (MC) o RAM

     Unidad de entrada/salida (E/S)

     Controladores

     Buses

     Unidades periféricas o periféricos de
      entrada/salida
                        SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
.
.




    SIMM 2009-2010
Unidad Central de proceso ( CPU)

  Cerebro   del ordenador
  Unidad donde se ejecutan las
   instrucciones de los programas y se
   controla el funcionamiento de los
   distintos componentes del ordenador.
   Suele estar integrada en un chip
   denominado microprocesador.
                 SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
 Se suele llamar erróneamente CPU
 a la caja del ordenador donde van
 alojados los componentes básicos
 del mismo, es decir, además de la
 CPU en sí, la placa base, las
 tarjetas de expansión, el disco duro,
 la fuente de alimentación, etc.


                SIMM 2009-2010
 La
   potencia de un sistema informático se
 mide sobre todo por la de su CPU.




                  SIMM 2009-2010
CPU compone:


o   Unidad de Control (UC)

o   Unidad Aritmético-lógica (ALU)




                  SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
Pero para que el procesador pueda
 trabajar necesita:

 La   memoria (MC)

 Los   periféricos de entrada/salida.



                  SIMM 2009-2010
Unidad de control (UC)

 Interpreta y ejecuta las instrucciones
 maquina almacenadas en la memoria
 principal y genera las señales de control
 necesarias para ejecutarlas



                  SIMM 2009-2010
Esquema Unidad central de proceso

                              SIMM 2009-2010
   La UC interpreta y ejecuta las
    instrucciones en el orden adecuado para
    que cada una de ellas se procede en el
    debido instante y de forma correcta.
    Para realizar todas estas operaciones, la
    UC dispone registros (espacios
    almacenamiento)



                    SIMM 2009-2010
Además otros componentes
 Registro de instrucción.-Contiene la
 instrucción que se esta ejecutando.
 Consta diferentes campos:
   CO   : Código de la operación que se va a
    realizar.
   MD: Modo de direccionamiento de la memoria
    para acceder a la información que se va a
    procesar.
   CDE: Campo de dirección efectiva de la
    información     SIMM 2009-2010
 Decodificador  de instrucciones
 Extrae y analiza código de operación de
 la instrucción en curso.




                  SIMM 2009-2010
 Registro contador de programas.-
 Contiene la dirección de memoria de
 la siguiente instrucción a ejecutar.




                SIMM 2009-2010
 Secuenciador
 Genera microordenes elementales,
 sincronizadas impulsos de reloj hacen se
 ejecuten paso a paso y de manera
 ordenada instrucciones cargadas en él.



                 SIMM 2009-2010
 Reloj
 Sucesión de impulsos eléctricos a
 intervalos constantes.
  Marca tiempos ejecución de los pasos a
 realizar para cada instrucción.
 Velocidad reloj en megahercios (MHz)


                SIMM 2009-2010
 Controlador   de instrucciones
 Controla el flujo de instrucciones de la
 CPU e interpreta la instrucción para su
 posterior procesamiento.




                   SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
Unidad Aritmético-lógica (ALU)


  Recibe los datos sobre los que efectúa
  operaciones de calculo y comparaciones,
  toma decisiones lógicas.
  Realiza operaciones aritméticas y lógicas
  sobre la información.


                  SIMM 2009-2010
Elementos componen ALU
   Circuito combinacional u operacional.
    Realiza las operaciones con los datos de
    los registros de entrada.

   Registros de entrada.
    Contienen los operandos de la operación.


                     SIMM 2009-2010
   Registro acumulador.
    Almacena los resultados de las
    operaciones.

   Registro de estado.
    Registra las condiciones de la operación
    anterior.



                     SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
Etapas ejecución instrucción
 Vamos a ver las etapas como se ejecuta
 una instrucción cualquiera en el
 ordenador:




                 SIMM 2009-2010
   La CPU extrae de memoria la siguiente
    instrucción a ejecutar y la almacena en el
    registro de instrucción. La posición de
    memoria en la que se encuentra esta
    instrucción la almacena el registro contador
    de programas.




                     SIMM 2009-2010
   Se cambia el registro contador de
    programas con la dirección de memoria
    de la siguiente instrucción a ejecutar.

   Se analiza el código de operación (CO) de
    la instrucción, que esta contenido en el
    registro de instrucciones.


                     SIMM 2009-2010
   Se determina a que datos de memoria
    hay que acceder, y como hay que
    hacerlo. Para ello se analiza el modo de
    direccionamiento de memoria (MD) para
    acceder a la información que se va a
    procesar, así como el campo de dirección
    efectiva de la información.


                    SIMM 2009-2010
   Se extraen los datos, si los hay, de la
    posición de memoria especificada en el
    campo de dirección efectiva, y se cargan
    en los registros necesarios de la CPU
    para ser procesados.




                     SIMM 2009-2010
El ordenador almacena de su memoria los
programas y datos con los que vamos a
trabajar.




                SIMM 2009-2010
Funcionamiento de un ordenador
          programado
Para que un ordenador pueda funcionar
debe estar programado, es decir debe
ejecutar un programa.
Este programa es consecuencia del
análisis detallado de las acciones que
debe llevar a cabo, la secuencia de las
mismas, la repetición sistemática de un
conjunto de ellas, así como la elección de
una alternativa llegado el caso. En
definitiva, la obtención de un algoritmo.
                 SIMM 2009-2010
Posteriormente, este algoritmo es
codificado según la sintaxis de un
lenguaje de programación.
Una vez escrito y codificado este
programa se deberá compilar es decir
traducirlo a lenguaje máquina que es
entendible por la unidad de control
ordenador.


                SIMM 2009-2010
Una vez realizado el proceso de
compilación, es conveniente almacenar
en disco tanto el programa ejecutable
como el fuente, por si quisiéramos hacer
un cambio respecto a las especificaciones
iniciales. Así el programa ejecutable
estará dispuesto para llevar a cabo la
finalidad decrecido construido.

                 SIMM 2009-2010
Para poder ejecutar el programa
previamente deberá ser cargado en
memoria y residir durante su ejecución.




                 SIMM 2009-2010
La ejecución consistirá en un proceso
  repetitivo de dos fases:
 fase de búsqueda
 fase de ejecución.




                   SIMM 2009-2010
   Durante la fase de búsqueda la unidad
    de control interpretara la acción que debe
    ejecutarse e identificara el lugar en que se
    encuentran los datos que intervienen en
    las operaciones.
    Una vez identificados estos datos serán
    depositados en los diferentes registros a
    tal efecto

                      SIMM 2009-2010
En la fase de ejecución se procederá a la
ejecución propiamente dicha que será
generalmente un cálculo aritmético, un
cálculo lógico, o una operación de
transferencia de datos




                 SIMM 2009-2010
Caso práctico 1.
Suma de dos datos


   Realizar la suma de un dato A, más un dato B, y
    el resultado se guardará en un dato C. La
    instrucción de suma se representará así: C = A +
    B. Suponemos que A=10 y B=15, la situación
    inicial de la memoria quedaría:



                        SIMM 2009-2010
Situación de la memoria. Almacenamiento
de A, B y C.




              SIMM 2009-2010
Ejecución de la instrucción


   La UC interpreta el código y genera una
    secuencia de tres microinstrucciones
    elementales que afectan al registro
    acumulador. En éste es donde se almacenan
    los resultados de las distintas operaciones.
    Las tres operaciones son:

                       SIMM 2009-2010
Carga del primer operando

A. Cargar el registro acumulador con el primer operando




                       SIMM 2009-2010
Suma del segundo operando.

   B.Suma el segundo operando al contenido del acumulador.




                           SIMM 2009-2010
Carga a la dirección del resultado

C.Carga el contenido del acumulador en la dirección del
  resultado




                           SIMM 2009-2010
Caso práctico 2.
 Ejecución de una instrucción

Nos imaginamos la memoria como una
serie de casillas con su dirección
asociada. El mapa de memoria se
muestra a continuación:



              SIMM 2009-2010
Memoria


                                                        Programa                       Datos

Las instrucciones del programa           1                         9              17           25



comienzan en la dirección de
memoria 4. Los datos se van a
                                         2                         10             18           26




almacenar en las posiciones              3                         11             19           27
                                                                                                    Dato A


27, 28 y 29, tal y como se               4
                                             Leer A                12             20           28
                                                                                                    Dato B

muestra en la tabla.                     5
                                             Leer B                13             21           29
                                                                                                    Dato C

Cada instrucción tiene su fase
de búsqueda y su fase de
                                                                   14             22           30
                                         6
                                             Calcular C=A+B



ejecución:                               7
                                             Visualizar C          15             23           31




                                         8                         16             24           32




                             SIMM 2009-2010
Instrucción LEER A.

  Fase de búsqueda:
  1. En el CP se almacena la dirección de memoria
  de comienzo del programa, la 4.
 2. La UC envía una orden para que el contenido
  del CP, que es la dirección de la instrucción que
  estamos analizando, se transfiera al RDM
  (registro de dirección de memoria).
                       SIMM 2009-2010
 3. El selector de memoria localiza la posición
  4, y transfiere su contenido al RIM (registro de
  intercambio). El RIM contiene: LEER A.
 4. La UC da la orden de transferir el contenido
  del RIM al registro de instrucción RI, en el que
  deposita el código de la instrucción a ejecutar.



                      SIMM 2009-2010
 5. Seguidamente      el    decodificador      de
  instrucción (DI) analiza el código contenido en
  el RI (en el ejemplo, la operación es Leer A) y
  genera las señales de control para ejecutar
  correctamente la instrucción.
 6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la
  siguiente instrucción; en este caso es la 5: LEER
  B.
                        SIMM 2009-2010
Fase de búsqueda de la instrucción LEER A.




                          SIMM 2009-2010
Fase de ejecución:
 7. Una vez conocido el código de operación, la UC
  establece las conexiones con el dispositivo de
  entrada, para aceptar el dato A.
 8. La UC da la orden de que el dato leído se cargue
  en el RIM, y en el RDM se cargue la dirección de
  memoria donde se va a almacenar el dato leído; en
  el ejemplo esta dirección es la 27.
                        SIMM 2009-2010
 9.El selector de memoria es el encargado de
  guardar en la dirección indicada por RDM, la
  27 el contenido del RIM.



                     SIMM 2009-2010
Fase de ejecución de la instrucción LEER A.




                      SIMM 2009-2010
Instrucción LEER B.


    Se procede como en LEER A




                SIMM 2009-2010
Instrucción
  CALCULAR C = A + B.
  Fase de búsqueda:
1. El CP contiene la dirección 6.
2. La UC ordena que el contenido del CP pase al
  RDM.
3. El selector de memoria localiza la posición 6, y
  transfiere su contenido al RIM. El RIM contiene:
CALCULAR C = A + B
                       SIMM 2009-2010
4. La UC da la orden de transferir el contenido del
 RIM al registro de instrucción (RI).
  5. Seguidamente el decodificador de instrucción
 (DI) analiza el código contenido en el RI y
 genera las señales de control para ejecutar
 correctamente la instrucción.
  6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la
 siguiente instrucción, en este caso es la 7,
 VISUALIZAR C.
                     SIMM 2009-2010
Fase de ejecución:
 7. Se transfiere la dirección del primer
  operando A (27) desde el RI hasta el RDM.
 8. El selector extrae el contenido de la
  posición 27 y lo deposita en el RIM.
 9. El contenido del RIM se carga en el
  registro acumulador de la UAL.
                   SIMM 2009-2010
Carga en el acumulador el dato A.




                         SIMM 2009-2010
   10. Se transfiere la dirección del segundo operando
    B (28) desde el RI hasta el RDM.

11. El selector extrae el contenido de la posición
 28 y lo deposita en el RIM.
.


                          SIMM 2009-2010
Suma al acumulador el dato B.




                       SIMM 2009-2010
   12. Se envía una orden para que el contenido del
    RIM se sume al contenido del registro
    acumulador de la UAL, y el resultado se
    almacene en el acumulador .

   13. Este resultado es enviado desde el registro
    acumulador al RIM para almacenarlo en
    memoria, pero antes hay que localizar en qué
    dirección se va a almacenar.
                        SIMM 2009-2010
   14. Se transfiere desde el RI (recuerda que en el
    RI está la instrucción del cálculo de la suma, es
    decir el código de operación y la dirección de los
    operandos), al RDM la dirección donde se va a
    almacenar el resultado, es decir la dirección de C
    (29).

                        SIMM 2009-2010
15. Finalmente se transfiere el resultado
  desde el RIM a la dirección indicada por
  el RDM, el resultado C queda
  almacenado en la posición 29.




                  SIMM 2009-2010
Carga en el dato C el acumulador que contiene la suma.




                         SIMM 2009-2010
Instrucción VISUALIZAR C.

Fase de búsqueda:
1. El CP contiene la dirección 7.
2. El contenido del CP se transfiera al RDM.
3. El selector de memoria localiza la posición 7,
y transfiere su contenido al RIM.



                    SIMM 2009-2010
4. La UC da la orden de transferir el contenido del
RIM al registro de instrucción (RI).
5. El decodificador de instrucción (DI) analiza el
código contenido en el RI y genera las señales de
control para ejecutar la instrucción
6. El CP se incrementa en uno y su valor es 8, fin
de programa.

                     SIMM 2009-2010
Fase de ejecución:
   7. Una vez conocido el código de operación, la UC
    establece las conexiones con el dispositivo de
    salida para visualizar el dato C.

   8. La dirección del dato a visualizar (la 29) se
    carga en el RDM
                         SIMM 2009-2010
 9. El selector de memoria selecciona esa
  posición y guarda en el RIM el contenido del
  dato C.
 10. Se generan las órdenes para que el
  contenido del RIM salga por la unidad de
  salida.

                    SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
Buses de comunicación


 Líneas eléctricas u ópticas a través de las
  que se comunican las distintas unidades de
  un ordenador.
 Cables por los que circulan los bits en
  forma de información.


                   SIMM 2009-2010
Tipos de Buses


 Bus  de datos
 Intercambio de datos entre la CPU y el resto
  de unidades.
 Cada instrucción de un programa y cada
  byte de datos viaja por este bus.

                   SIMM 2009-2010
El intercambio de datos se realiza a
través de un conjunto de líneas
eléctricas , una por cada bit .
Se transmiten todos a la vez deforma
paralela.
El tamaño del bus se mide en bits



                SIMM 2009-2010
Si tienen un bus:
 Nºbits Transfieren cada ciclo de reloj
  8               1 byte
 16               2 bytes
 32           3 bytes
 64               4 bytes



                 SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
 Bus   de direcciones

 Transmite direcciones entre la CPU y la
 memoria.
 Esta sincronizado con el de datos
 Necesario saber direcciones de los datos envían/
 reciben por el bus de datos
 Cuanto >nº bits forma bus direcciones > rango
 memoria direccionable
                   SIMM 2009-2010
El tamaño bus direcciones
Si bus direcciones :
  Bits         Accede posiciones memoria
  10                    210
  16                    216
  36                    236


                SIMM 2009-2010
SIMM 2009-2010
 Bus de control
 Controla las unidades complementarias
 de la CPU, generando impulsos
 necesarios para gobernarlas.




                 SIMM 2009-2010
Evolución de los

microprocesadores
A medida que evoluciona la
electrónica evolucionan los
microprocesadores y se han
incorporado dentro del micro
componentes que hacen que sean
mas potentes y rapidos.


             SIMM 2009-2010
A medida que la informática
evoluciona el software es cada vez
mas complejo y eso hace que los
equipos sean mas rápidos y mas
complicados




              SIMM 2009-2010
Los últimos micros sobrepasan la
  barrera de los gigahercios, lo que es
  justificable por lo siguiente :
 Los nuevos S.O. utilizan muchos
  recursos de la maquina




                SIMM 2009-2010
 Losnuevos formatos de audio y
 video comprimido (divX y MP3) se
 descomprimen en tiempo real




               SIMM 2009-2010
Diagrama de bloques de las CPUs
actuales

    El núcleo del procesador es la parte
     de la CPU que funciona a la misma
     velocidad de reloj que la UAL.

 Añade los siguientes elementos:



                     SIMM 2009-2010
 Unidad  de coma flotante (FPU)
 Es la encargada de manejar todas
 las operaciones en coma flotante.
 Estas operaciones involucran
 aritmética con números
 fraccionarios, operaciones
 matemáticas trigonometriítas y
 logarítmicas.

               SIMM 2009-2010
   La caché del procesador, de nivel
    1 y de nivel 2.
    Las memorias caché se utilizan para
    guardar las posiciones de memoria
    de la memoria principal mas
    utilizadas.



                 SIMM 2009-2010
 Cuando la caché contiene los datos
 que necesita la CPU, no hay
 tiempos de espera y se denomina
 acierto de la caché .Cuando la
 caché no contiene los datos, se
 denomina fallo de la caché y la
 CPU tendrá que esperar un tiempo
 hasta que la memoria principal
 entregue los datos.
               SIMM 2009-2010
 Las primeras cachés surgieron en la
 época del micro 386 de Intel (1986).
 Los diseños de esta placa base
 llevaban una caché de 64 kb.




                SIMM 2009-2010
   Con el 486 (1989) se incluyo una
    pequeña caché dentro del chip del micro
    (caché del procesador).
    Los fabricantes de placas incluyeron
    también una caché en la placa base
    (caché de nivel 2 - L2) y la integrada
    en el micro paso a llamarse ( Cache de
    nivel 1 – L1).



                   SIMM 2009-2010
   Cuando la CPU solicita un dato, el primer
    lugar donde busca es la caché L1




                    SIMM 2009-2010
   Bus frontal (FSB). Bus que conecta la
    CPU con la placa base.
    Es la interfaz entre la caché de nivel 2
    del procesador y la placa base. El ancho
    de este bus es de 64 bits




                    SIMM 2009-2010
   BUS posterior (BSB).
    Es la interfaz entre la caché de nivel
    1, el numero del procesador y la
    caché de nivel 2. El ancho de bus es
    de 256 bits.




                   SIMM 2009-2010
   Instrucciones especiales.
    La aparición Pentium de Intel en 1992
    incluía nuevas características: cachés
    independientes de 8 bits, una para
    guardar datos y otra para
    instrucciones y una unidad de coma
    flotante muy rápida.


                    SIMM 2009-2010
También incluyo la arquitectura
superescalar que permitía ejecutar
mas de una instrucción en un ciclo de
reloj; es decir admite mas de una
orden a la vez, como si trabajasen dos
micros juntos.




               SIMM 2009-2010
Se incluye la técnica de pipelining
(segmentación), que consiste en
que la CPU comienza a ejecutar
una instrucción antes determinar de
ejecutar la anterior.



             SIMM 2009-2010
La ejecución de una instrucción requiere
dos pasos: la búsqueda y la ejecución .
Originalmente la CPU tenia que completar
una instrucción entera antes de comenzar
a comenzar a ejecutar la otra, pero ahora
todo es diferente: existen circuitos que
manipulan instrucciones separadas.




                 SIMM 2009-2010
El primer Pentium tenia una ALU con una
pipeline de doble ejecución, podía ejecutar
dos instrucciones al mismo tiempo.




                SIMM 2009-2010
Con la aparición del Pentium MMX surge
la tecnología MMX (Multimedia
extensión).
Paralelamente la empresa AMD saca el
K6, con su especificación 3D Now; esta
tecnologías intentan aumentar el
rendimiento de las aplicaciones
multimedia y en 3D.


                SIMM 2009-2010
Lo forman un conjunto de instrucciones
incorporadas en la CPU que utilizan la
matemática matricial para soportar los
algoritmos de comprensión y
decomprensión de gráficos (como jpeg,
gif y Mpeg) y presentaciones graficas en
3D.



                 SIMM 2009-2010
MMX permite que la FPU (unidad de
coma flotante) actúa con varios datos
simultáneamente a través de un
proceso llamado SIMD (instrucción
única, datos múltiples) caso en el que
una sola instrucción puede llevar a
cabo varias operaciones, pudiendo
hacer hasta 4 operaciones en coma
flotante en cada ciclo de reloj.


                 SIMM 2009-2010
Con la llegada del Pentium III en 1998 se
 incorpora al micro 70 instrucciones,
 llamadas SSE, también conocidas como
 MMX-2. Sus ventajas son las siguientes:
 Las instrucciones SSE permiten realizar
 cálculos matemáticos con números con
 coma flotante, al contrario que las MMx, que
 solo las realizan con números enteros.


                   SIMM 2009-2010
   Las instrucciones SSE pueden utilizarse
    simultáneamente con la FPU o con
    instrucciones MMX.




                    SIMM 2009-2010
Algunas de estas nuevas instrucciones
optimizan el rendimiento en apartados
multimedia, como la reproducción de
video MPEG-2 o el reconocimiento de
voz, mientras otras aceleran el acceso a
memoria.




                SIMM 2009-2010
El Pentium IV añade las instrucciones
SSE2 , 144 nuevas instrucciones, algunas
de ellas capaces de manejar cálculos de
doble precisión de 128 bits en coma
flotante. La idea es reducir el numero de
operaciones necesarias para realizar las
tareas.




                 SIMM 2009-2010
Actualmente el mercado de
microprocesadores esta monopolizado
por dos grandes marcas Intel y AMD.




              SIMM 2009-2010
AMD fabrico una línea de procesadores
X86 equiparables a los de Intel. Hasta la
aparición del 486DX, AMD fue
prácticamente un distribuidor de Intel, a
partir de aquí empezó las
desavenencias y la competencia entre
ambas compañias.



                 SIMM 2009-2010
En la misma época que aparece Pentium,
por el 1992 , AMD saca al mercado el K5.
Con la aparición del Pentium MMX, AMD
lanzo el primer K6 con tecnología MMX y
con una caché L2 integrada de 64 k, una
desventaja es que generaba bastante calor
y por ello tenia un encadenado diferente.




                 SIMM 2009-2010
Pentium III con tecnología MMX2, AMD
lanza el K6-2 con tecnología 3Dnow,
superior al MMX
Paralelamente al Pentium III, AMD lanza el
K6-3, que incorporaba una L2 de 256 k, el
rendimiento era similar.




                SIMM 2009-2010
Después del K6-3, AMD lanza Athlon,
Thunderbird y Duron. Con mejor caché,
mayor FSB, mejoras en las FPUs y mayor
velocidad.




               SIMM 2009-2010

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Elementos funcionales del ordenador digital

  • 2. Componentes físicos El hardware SIMM 2009-2010
  • 3. Componentes físicos. El hardware  Se pueden clasificar:  Unidad aritmético-lógica( UAL)  Unidad de Control (UC)  Memoria Central (MC) o RAM  Unidad de entrada/salida (E/S)  Controladores  Buses  Unidades periféricas o periféricos de entrada/salida SIMM 2009-2010
  • 6. . . SIMM 2009-2010
  • 7. Unidad Central de proceso ( CPU)  Cerebro del ordenador  Unidad donde se ejecutan las instrucciones de los programas y se controla el funcionamiento de los distintos componentes del ordenador. Suele estar integrada en un chip denominado microprocesador. SIMM 2009-2010
  • 9.  Se suele llamar erróneamente CPU a la caja del ordenador donde van alojados los componentes básicos del mismo, es decir, además de la CPU en sí, la placa base, las tarjetas de expansión, el disco duro, la fuente de alimentación, etc. SIMM 2009-2010
  • 10.  La potencia de un sistema informático se mide sobre todo por la de su CPU. SIMM 2009-2010
  • 11. CPU compone: o Unidad de Control (UC) o Unidad Aritmético-lógica (ALU) SIMM 2009-2010
  • 13. Pero para que el procesador pueda trabajar necesita:  La memoria (MC)  Los periféricos de entrada/salida. SIMM 2009-2010
  • 14. Unidad de control (UC) Interpreta y ejecuta las instrucciones maquina almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas SIMM 2009-2010
  • 15. Esquema Unidad central de proceso SIMM 2009-2010
  • 16. La UC interpreta y ejecuta las instrucciones en el orden adecuado para que cada una de ellas se procede en el debido instante y de forma correcta. Para realizar todas estas operaciones, la UC dispone registros (espacios almacenamiento) SIMM 2009-2010
  • 17. Además otros componentes  Registro de instrucción.-Contiene la instrucción que se esta ejecutando. Consta diferentes campos:  CO : Código de la operación que se va a realizar.  MD: Modo de direccionamiento de la memoria para acceder a la información que se va a procesar.  CDE: Campo de dirección efectiva de la información SIMM 2009-2010
  • 18.  Decodificador de instrucciones Extrae y analiza código de operación de la instrucción en curso. SIMM 2009-2010
  • 19.  Registro contador de programas.- Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. SIMM 2009-2010
  • 20.  Secuenciador Genera microordenes elementales, sincronizadas impulsos de reloj hacen se ejecuten paso a paso y de manera ordenada instrucciones cargadas en él. SIMM 2009-2010
  • 21.  Reloj Sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes. Marca tiempos ejecución de los pasos a realizar para cada instrucción. Velocidad reloj en megahercios (MHz) SIMM 2009-2010
  • 22.  Controlador de instrucciones Controla el flujo de instrucciones de la CPU e interpreta la instrucción para su posterior procesamiento. SIMM 2009-2010
  • 24. Unidad Aritmético-lógica (ALU) Recibe los datos sobre los que efectúa operaciones de calculo y comparaciones, toma decisiones lógicas. Realiza operaciones aritméticas y lógicas sobre la información. SIMM 2009-2010
  • 25. Elementos componen ALU  Circuito combinacional u operacional. Realiza las operaciones con los datos de los registros de entrada.  Registros de entrada. Contienen los operandos de la operación. SIMM 2009-2010
  • 26. Registro acumulador. Almacena los resultados de las operaciones.  Registro de estado. Registra las condiciones de la operación anterior. SIMM 2009-2010
  • 28. Etapas ejecución instrucción Vamos a ver las etapas como se ejecuta una instrucción cualquiera en el ordenador: SIMM 2009-2010
  • 29. La CPU extrae de memoria la siguiente instrucción a ejecutar y la almacena en el registro de instrucción. La posición de memoria en la que se encuentra esta instrucción la almacena el registro contador de programas. SIMM 2009-2010
  • 30. Se cambia el registro contador de programas con la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar.  Se analiza el código de operación (CO) de la instrucción, que esta contenido en el registro de instrucciones. SIMM 2009-2010
  • 31. Se determina a que datos de memoria hay que acceder, y como hay que hacerlo. Para ello se analiza el modo de direccionamiento de memoria (MD) para acceder a la información que se va a procesar, así como el campo de dirección efectiva de la información. SIMM 2009-2010
  • 32. Se extraen los datos, si los hay, de la posición de memoria especificada en el campo de dirección efectiva, y se cargan en los registros necesarios de la CPU para ser procesados. SIMM 2009-2010
  • 33. El ordenador almacena de su memoria los programas y datos con los que vamos a trabajar. SIMM 2009-2010
  • 34. Funcionamiento de un ordenador programado Para que un ordenador pueda funcionar debe estar programado, es decir debe ejecutar un programa. Este programa es consecuencia del análisis detallado de las acciones que debe llevar a cabo, la secuencia de las mismas, la repetición sistemática de un conjunto de ellas, así como la elección de una alternativa llegado el caso. En definitiva, la obtención de un algoritmo. SIMM 2009-2010
  • 35. Posteriormente, este algoritmo es codificado según la sintaxis de un lenguaje de programación. Una vez escrito y codificado este programa se deberá compilar es decir traducirlo a lenguaje máquina que es entendible por la unidad de control ordenador. SIMM 2009-2010
  • 36. Una vez realizado el proceso de compilación, es conveniente almacenar en disco tanto el programa ejecutable como el fuente, por si quisiéramos hacer un cambio respecto a las especificaciones iniciales. Así el programa ejecutable estará dispuesto para llevar a cabo la finalidad decrecido construido. SIMM 2009-2010
  • 37. Para poder ejecutar el programa previamente deberá ser cargado en memoria y residir durante su ejecución. SIMM 2009-2010
  • 38. La ejecución consistirá en un proceso repetitivo de dos fases:  fase de búsqueda  fase de ejecución. SIMM 2009-2010
  • 39. Durante la fase de búsqueda la unidad de control interpretara la acción que debe ejecutarse e identificara el lugar en que se encuentran los datos que intervienen en las operaciones. Una vez identificados estos datos serán depositados en los diferentes registros a tal efecto SIMM 2009-2010
  • 40. En la fase de ejecución se procederá a la ejecución propiamente dicha que será generalmente un cálculo aritmético, un cálculo lógico, o una operación de transferencia de datos SIMM 2009-2010
  • 41. Caso práctico 1. Suma de dos datos  Realizar la suma de un dato A, más un dato B, y el resultado se guardará en un dato C. La instrucción de suma se representará así: C = A + B. Suponemos que A=10 y B=15, la situación inicial de la memoria quedaría: SIMM 2009-2010
  • 42. Situación de la memoria. Almacenamiento de A, B y C. SIMM 2009-2010
  • 43. Ejecución de la instrucción  La UC interpreta el código y genera una secuencia de tres microinstrucciones elementales que afectan al registro acumulador. En éste es donde se almacenan los resultados de las distintas operaciones. Las tres operaciones son: SIMM 2009-2010
  • 44. Carga del primer operando A. Cargar el registro acumulador con el primer operando SIMM 2009-2010
  • 45. Suma del segundo operando.  B.Suma el segundo operando al contenido del acumulador. SIMM 2009-2010
  • 46. Carga a la dirección del resultado C.Carga el contenido del acumulador en la dirección del resultado SIMM 2009-2010
  • 47. Caso práctico 2. Ejecución de una instrucción Nos imaginamos la memoria como una serie de casillas con su dirección asociada. El mapa de memoria se muestra a continuación: SIMM 2009-2010
  • 48. Memoria Programa Datos Las instrucciones del programa 1 9 17 25 comienzan en la dirección de memoria 4. Los datos se van a 2 10 18 26 almacenar en las posiciones 3 11 19 27 Dato A 27, 28 y 29, tal y como se 4 Leer A 12 20 28 Dato B muestra en la tabla. 5 Leer B 13 21 29 Dato C Cada instrucción tiene su fase de búsqueda y su fase de 14 22 30 6 Calcular C=A+B ejecución: 7 Visualizar C 15 23 31 8 16 24 32 SIMM 2009-2010
  • 49. Instrucción LEER A. Fase de búsqueda: 1. En el CP se almacena la dirección de memoria de comienzo del programa, la 4.  2. La UC envía una orden para que el contenido del CP, que es la dirección de la instrucción que estamos analizando, se transfiera al RDM (registro de dirección de memoria). SIMM 2009-2010
  • 50.  3. El selector de memoria localiza la posición 4, y transfiere su contenido al RIM (registro de intercambio). El RIM contiene: LEER A.  4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción RI, en el que deposita el código de la instrucción a ejecutar. SIMM 2009-2010
  • 51.  5. Seguidamente el decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI (en el ejemplo, la operación es Leer A) y genera las señales de control para ejecutar correctamente la instrucción.  6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la siguiente instrucción; en este caso es la 5: LEER B. SIMM 2009-2010
  • 52. Fase de búsqueda de la instrucción LEER A. SIMM 2009-2010
  • 53. Fase de ejecución:  7. Una vez conocido el código de operación, la UC establece las conexiones con el dispositivo de entrada, para aceptar el dato A.  8. La UC da la orden de que el dato leído se cargue en el RIM, y en el RDM se cargue la dirección de memoria donde se va a almacenar el dato leído; en el ejemplo esta dirección es la 27. SIMM 2009-2010
  • 54.  9.El selector de memoria es el encargado de guardar en la dirección indicada por RDM, la 27 el contenido del RIM. SIMM 2009-2010
  • 55. Fase de ejecución de la instrucción LEER A. SIMM 2009-2010
  • 56. Instrucción LEER B. Se procede como en LEER A SIMM 2009-2010
  • 57. Instrucción CALCULAR C = A + B. Fase de búsqueda: 1. El CP contiene la dirección 6. 2. La UC ordena que el contenido del CP pase al RDM. 3. El selector de memoria localiza la posición 6, y transfiere su contenido al RIM. El RIM contiene: CALCULAR C = A + B SIMM 2009-2010
  • 58. 4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción (RI). 5. Seguidamente el decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI y genera las señales de control para ejecutar correctamente la instrucción. 6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la siguiente instrucción, en este caso es la 7, VISUALIZAR C. SIMM 2009-2010
  • 59. Fase de ejecución:  7. Se transfiere la dirección del primer operando A (27) desde el RI hasta el RDM.  8. El selector extrae el contenido de la posición 27 y lo deposita en el RIM.  9. El contenido del RIM se carga en el registro acumulador de la UAL. SIMM 2009-2010
  • 60. Carga en el acumulador el dato A. SIMM 2009-2010
  • 61. 10. Se transfiere la dirección del segundo operando B (28) desde el RI hasta el RDM. 11. El selector extrae el contenido de la posición 28 y lo deposita en el RIM. . SIMM 2009-2010
  • 62. Suma al acumulador el dato B. SIMM 2009-2010
  • 63. 12. Se envía una orden para que el contenido del RIM se sume al contenido del registro acumulador de la UAL, y el resultado se almacene en el acumulador .  13. Este resultado es enviado desde el registro acumulador al RIM para almacenarlo en memoria, pero antes hay que localizar en qué dirección se va a almacenar. SIMM 2009-2010
  • 64. 14. Se transfiere desde el RI (recuerda que en el RI está la instrucción del cálculo de la suma, es decir el código de operación y la dirección de los operandos), al RDM la dirección donde se va a almacenar el resultado, es decir la dirección de C (29). SIMM 2009-2010
  • 65. 15. Finalmente se transfiere el resultado desde el RIM a la dirección indicada por el RDM, el resultado C queda almacenado en la posición 29. SIMM 2009-2010
  • 66. Carga en el dato C el acumulador que contiene la suma. SIMM 2009-2010
  • 67. Instrucción VISUALIZAR C. Fase de búsqueda: 1. El CP contiene la dirección 7. 2. El contenido del CP se transfiera al RDM. 3. El selector de memoria localiza la posición 7, y transfiere su contenido al RIM. SIMM 2009-2010
  • 68. 4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción (RI). 5. El decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI y genera las señales de control para ejecutar la instrucción 6. El CP se incrementa en uno y su valor es 8, fin de programa. SIMM 2009-2010
  • 69. Fase de ejecución:  7. Una vez conocido el código de operación, la UC establece las conexiones con el dispositivo de salida para visualizar el dato C.  8. La dirección del dato a visualizar (la 29) se carga en el RDM SIMM 2009-2010
  • 70.  9. El selector de memoria selecciona esa posición y guarda en el RIM el contenido del dato C.  10. Se generan las órdenes para que el contenido del RIM salga por la unidad de salida. SIMM 2009-2010
  • 72. Buses de comunicación  Líneas eléctricas u ópticas a través de las que se comunican las distintas unidades de un ordenador.  Cables por los que circulan los bits en forma de información. SIMM 2009-2010
  • 73. Tipos de Buses  Bus de datos Intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades. Cada instrucción de un programa y cada byte de datos viaja por este bus. SIMM 2009-2010
  • 74. El intercambio de datos se realiza a través de un conjunto de líneas eléctricas , una por cada bit . Se transmiten todos a la vez deforma paralela. El tamaño del bus se mide en bits SIMM 2009-2010
  • 75. Si tienen un bus: Nºbits Transfieren cada ciclo de reloj 8 1 byte 16 2 bytes 32 3 bytes 64 4 bytes SIMM 2009-2010
  • 77.  Bus de direcciones Transmite direcciones entre la CPU y la memoria. Esta sincronizado con el de datos Necesario saber direcciones de los datos envían/ reciben por el bus de datos Cuanto >nº bits forma bus direcciones > rango memoria direccionable SIMM 2009-2010
  • 78. El tamaño bus direcciones Si bus direcciones : Bits Accede posiciones memoria 10 210 16 216 36 236 SIMM 2009-2010
  • 80.  Bus de control Controla las unidades complementarias de la CPU, generando impulsos necesarios para gobernarlas. SIMM 2009-2010
  • 82. A medida que evoluciona la electrónica evolucionan los microprocesadores y se han incorporado dentro del micro componentes que hacen que sean mas potentes y rapidos. SIMM 2009-2010
  • 83. A medida que la informática evoluciona el software es cada vez mas complejo y eso hace que los equipos sean mas rápidos y mas complicados SIMM 2009-2010
  • 84. Los últimos micros sobrepasan la barrera de los gigahercios, lo que es justificable por lo siguiente :  Los nuevos S.O. utilizan muchos recursos de la maquina SIMM 2009-2010
  • 85.  Losnuevos formatos de audio y video comprimido (divX y MP3) se descomprimen en tiempo real SIMM 2009-2010
  • 86. Diagrama de bloques de las CPUs actuales  El núcleo del procesador es la parte de la CPU que funciona a la misma velocidad de reloj que la UAL. Añade los siguientes elementos: SIMM 2009-2010
  • 87.  Unidad de coma flotante (FPU) Es la encargada de manejar todas las operaciones en coma flotante. Estas operaciones involucran aritmética con números fraccionarios, operaciones matemáticas trigonometriítas y logarítmicas. SIMM 2009-2010
  • 88. La caché del procesador, de nivel 1 y de nivel 2. Las memorias caché se utilizan para guardar las posiciones de memoria de la memoria principal mas utilizadas. SIMM 2009-2010
  • 89.  Cuando la caché contiene los datos que necesita la CPU, no hay tiempos de espera y se denomina acierto de la caché .Cuando la caché no contiene los datos, se denomina fallo de la caché y la CPU tendrá que esperar un tiempo hasta que la memoria principal entregue los datos. SIMM 2009-2010
  • 90.  Las primeras cachés surgieron en la época del micro 386 de Intel (1986). Los diseños de esta placa base llevaban una caché de 64 kb. SIMM 2009-2010
  • 91. Con el 486 (1989) se incluyo una pequeña caché dentro del chip del micro (caché del procesador). Los fabricantes de placas incluyeron también una caché en la placa base (caché de nivel 2 - L2) y la integrada en el micro paso a llamarse ( Cache de nivel 1 – L1). SIMM 2009-2010
  • 92. Cuando la CPU solicita un dato, el primer lugar donde busca es la caché L1 SIMM 2009-2010
  • 93. Bus frontal (FSB). Bus que conecta la CPU con la placa base. Es la interfaz entre la caché de nivel 2 del procesador y la placa base. El ancho de este bus es de 64 bits SIMM 2009-2010
  • 94. BUS posterior (BSB). Es la interfaz entre la caché de nivel 1, el numero del procesador y la caché de nivel 2. El ancho de bus es de 256 bits. SIMM 2009-2010
  • 95. Instrucciones especiales. La aparición Pentium de Intel en 1992 incluía nuevas características: cachés independientes de 8 bits, una para guardar datos y otra para instrucciones y una unidad de coma flotante muy rápida. SIMM 2009-2010
  • 96. También incluyo la arquitectura superescalar que permitía ejecutar mas de una instrucción en un ciclo de reloj; es decir admite mas de una orden a la vez, como si trabajasen dos micros juntos. SIMM 2009-2010
  • 97. Se incluye la técnica de pipelining (segmentación), que consiste en que la CPU comienza a ejecutar una instrucción antes determinar de ejecutar la anterior. SIMM 2009-2010
  • 98. La ejecución de una instrucción requiere dos pasos: la búsqueda y la ejecución . Originalmente la CPU tenia que completar una instrucción entera antes de comenzar a comenzar a ejecutar la otra, pero ahora todo es diferente: existen circuitos que manipulan instrucciones separadas. SIMM 2009-2010
  • 99. El primer Pentium tenia una ALU con una pipeline de doble ejecución, podía ejecutar dos instrucciones al mismo tiempo. SIMM 2009-2010
  • 100. Con la aparición del Pentium MMX surge la tecnología MMX (Multimedia extensión). Paralelamente la empresa AMD saca el K6, con su especificación 3D Now; esta tecnologías intentan aumentar el rendimiento de las aplicaciones multimedia y en 3D. SIMM 2009-2010
  • 101. Lo forman un conjunto de instrucciones incorporadas en la CPU que utilizan la matemática matricial para soportar los algoritmos de comprensión y decomprensión de gráficos (como jpeg, gif y Mpeg) y presentaciones graficas en 3D. SIMM 2009-2010
  • 102. MMX permite que la FPU (unidad de coma flotante) actúa con varios datos simultáneamente a través de un proceso llamado SIMD (instrucción única, datos múltiples) caso en el que una sola instrucción puede llevar a cabo varias operaciones, pudiendo hacer hasta 4 operaciones en coma flotante en cada ciclo de reloj. SIMM 2009-2010
  • 103. Con la llegada del Pentium III en 1998 se incorpora al micro 70 instrucciones, llamadas SSE, también conocidas como MMX-2. Sus ventajas son las siguientes:  Las instrucciones SSE permiten realizar cálculos matemáticos con números con coma flotante, al contrario que las MMx, que solo las realizan con números enteros. SIMM 2009-2010
  • 104. Las instrucciones SSE pueden utilizarse simultáneamente con la FPU o con instrucciones MMX. SIMM 2009-2010
  • 105. Algunas de estas nuevas instrucciones optimizan el rendimiento en apartados multimedia, como la reproducción de video MPEG-2 o el reconocimiento de voz, mientras otras aceleran el acceso a memoria. SIMM 2009-2010
  • 106. El Pentium IV añade las instrucciones SSE2 , 144 nuevas instrucciones, algunas de ellas capaces de manejar cálculos de doble precisión de 128 bits en coma flotante. La idea es reducir el numero de operaciones necesarias para realizar las tareas. SIMM 2009-2010
  • 107. Actualmente el mercado de microprocesadores esta monopolizado por dos grandes marcas Intel y AMD. SIMM 2009-2010
  • 108. AMD fabrico una línea de procesadores X86 equiparables a los de Intel. Hasta la aparición del 486DX, AMD fue prácticamente un distribuidor de Intel, a partir de aquí empezó las desavenencias y la competencia entre ambas compañias. SIMM 2009-2010
  • 109. En la misma época que aparece Pentium, por el 1992 , AMD saca al mercado el K5. Con la aparición del Pentium MMX, AMD lanzo el primer K6 con tecnología MMX y con una caché L2 integrada de 64 k, una desventaja es que generaba bastante calor y por ello tenia un encadenado diferente. SIMM 2009-2010
  • 110. Pentium III con tecnología MMX2, AMD lanza el K6-2 con tecnología 3Dnow, superior al MMX Paralelamente al Pentium III, AMD lanza el K6-3, que incorporaba una L2 de 256 k, el rendimiento era similar. SIMM 2009-2010
  • 111. Después del K6-3, AMD lanza Athlon, Thunderbird y Duron. Con mejor caché, mayor FSB, mejoras en las FPUs y mayor velocidad. SIMM 2009-2010