Repaso al Hardware

Ing. Luyi Rodas

1

1. Procesadores

2

Procesadores

El cerbro de la computadora es la CPU

Toma instrucciones de la memoria y las ejecuta

El ciclo bsico de toda CPU es:

1.Tomar la instruccin de la memoria

2.Decodificarla para determinar su tipo y operandos

3.Ejecutarla

4.Repetir estos pasos con las instrucciones siguientes.

3

Procesadores

Todas las CPUs tienen registros para guardar variables importantes y resultados temporales.

Ademas de estos tienen varios registros especiales visibles al programador.

PC, Contador de programa. Contiene la direccione de memoria en la que esta la siguiente instruccin que se tomar.

SP, Apuntador de Pila, apunta a la parte superior de la pila actual en la memoria.

PSW, Palabra de estado del programa. Contiene los bits de cdigo de condicin que se ajustan cuando se ejecutan intrucciones de comparacin, junto con la prioridad de la CPU, el modo (Usuario o Kernel )y otros bits de control.

Por lo general pueden leer toda la PSW pero solo escribir en algunos de sus campos

4

Procesadores

El SO debe tener conocimiento de todos los registros para poder parar y reiniciar un programa.

Existen diseos de modelos de CPUs. Canalizacion de tres etapas

CPU superescalar

5

Modelos de CPU

Unidad Tomar

Unidad Decodi

Unidad Ejecutar

Unidad Tomar

Unidad Tomar

Unidad Decodi

Unidad Decodi

Bufer de Retencin

Unidad Ejecutar

Unidad Ejecutar

Unidad Ejecutar

6

Procesadores

Todas las CPUs tienen 2 modos de ejecucin: modo SO, modo usuario

Modo kernel SO Modo Usuario

Todas las Instrucciones del conjunto de Instrucciones.

Todas las funciones de Hardware.

El SO se ejecuta en este modo.

Un subconjunto de instruccones

Un subconjunto de funciones de hardware

No puede cambiar el bit de modo de la PSW a modo kernel.

Obtiene servicios del SO con Llamadas al Sistema.

7

2. MEMORIA

8

Memoria

Segundo componente mas importante.

De manera ideal se busca que sea mas rapida, con gran capacidad y poco costo.

9

Memorias

Cinta Magntica

Disco Magntico

Memoria Principal

Cach

Registros < 1 Kb

2 MB

2 GB

200 GB

20 100 GB

1 ns

2 ns

10 ns

10 ms

100 s

10

1. Registros

Hechos del mismo material de la CPU

El acceso a ellos no implica retrasos.

La capacidad es de 32 x 32 bits en procesadores de 32 bits y 64 x 64 en procesadores de 64 bits.

Los programas administran los registros.

11

2. Memoria Cache

Bajo el control del hardware

La memoria mantiene lineas de cache de 64 bytes.

Las lineas de cache mas usadas se mantienen en un cache dentro de la CPU.

Acierto de cache cuando la solicitud esta en la misma CPU. (tardan 2 ciclos de reloj)

12

3. Memoria Principal

Conocida como RAM

Crecen con mucha rapidez

Todas las solicitudes que no se puedan atender desde el cache se dirigen a la Memoria Principal.

13

3. Dispositivos de E/S

14

Dispositivos de E/S

Por lo general constan de 2 partes: una controladora y el dispositvo en si.

Contoladora Video

Controladora teclado

Controladora Disco duro

Teclado Monitor Disco Duro

Memoria CPU

Bus

15

1. La controladora

La controladora es el chip o conjunto de chips.

Esta acepta comandos del SO (ej. Leer datos del dispositivo).

El objetivo es presentar una interfaz mas simple al SO.

16

2. Dispositivo en si Tienen interfaces relativamente simples para

estandarizarlos. (ej. IDE Electronica Integrada en la Unidad).

Puesto que cada tipo de controladora es distinto, se requiere software distinto para manejarlos.

Al software que se comunica con una controladora se denomina Controlador de dispositivo

17

Para poder usar, debe incluirse en el SO para que pueda ejecutarse en modo Kernel.

Existen 3 formas de colocarlo: Reenlazar el kernel con el nuevo controlador y luego

reiniciar sistema. (Unix)

Incluir una entrada en un archivo del sistema para indicarle a este que necesita el controlador y luego reiniciar. (Windows)

El SO pueda aceptar controladores nuevos mientra esta ejecutando y lo instale sobre la marcha sin tener que reiniciar. (USB)

18

Las operaciones de entrada y salida pueden ejecutarse de 3 maneras: Un programa usuario emite una llamada al

sistema que el kernel traduce en una llamada de procedimiento al controlador del dispositivo, luego de acabar el SO devuelve el control al programa. (pregunta constante)

El controlador de dispositivo pone en marcha el dispositivo y le pide generar una interrupcion cuando haya terminado.

19

El tercer paso se utiliza un chip especial de acceso directo a memoria DMA que puede controlar el flujo de bits entre la memoria y alguna controladora sin que la CPU intervenga en forma continua.

20

Ejecucin de Instrucciones

Esta secuencia consiste en 3 pasos:

1. lectura de memoria de la instruccin mquina apuntada por el PC

2. incremento del contador del programa - para que apunte a la siguiente instruccin mquina y

3. ejecucin de la instruccin

21

Ejecucin de Instrucciones

Esta secuencia tiene 2 prioridades fundamentales:

1. es lineal, es decir, ejecuta de forma consecutiva las instrucciones que estn en direcciones consecutivas.

2. Y forma un bucle infinito. Esto significa que la unidad de control de la computadora est continua e ininterrumpidamente realizando esta secuencia.

22

Mecanismos de ruptura de secuencia lineal 1. Las instrucciones mquina de salto o

bifurcacin, que permiten que el programa rompa su secuencia lineal de ejecucion pasando a otro fragmento de s mismo.

2. Las interrupciones externas o internas, que hacen que la unidad de control modifique el valor del contador de programa saltando a otro programa.

3. La instruccion de maquinaTRAP, que produce un efecto similar a la interrupcion, haciendo que se salte a otro programa

23

Interrupciones

Casi todos los computadores tienen un mecanismo mediante el cual otros mdulos (E/S, memoria) pueden interrumpir la ejecucin normal del procesador.

Con las interrupciones, el procesador se puede dedicar a la ejecucin de otras instrucciones mientras una operacin de E/S est en proceso.

24

Interrupciones

Desde el punto de vista del programa de usuario una interrupcin es solamente eso:

una interrupcin de la secuencia normal de ejecucin. Cuando el tratamiento de la interrupcin termina, la ejecucin continua

25

Funcionamiento de las Interrupciones

Cuando el dispositivo de E/S est disponible, es decir, cuando est preparado para aceptar mas datos del procesador, el modulo de E/S de dicho dispositivo enviara una seal de solicitud de interrupcin al procesador

El procesador responde suspendiendo la operacin del programa en curso y saltando a un programa que da servicio al dispositivo de E/S en particular, conocido como rutina de tratamiento de interrupciones (Interrupt handler), reanudando la ejecucin original despus de haber atendido al dispositivo.

26

Interrupciones

Una interrupcin desencadena una serie de sucesos tanto en el hardware del procesador como en el software.

Estos sucesos pueden secuenciarse de la siguiente forma:

27

Secuencia generada por una Interrupcin 1. El dispositivo emite una seal de interrupcin al

procesador.

2. El procesador finaliza la ejecucin de la instruccin en curso antes de responder a

la interrupcin.

3. El procesador pregunta por la interrupcin comprueba que hay una y enva una

seal de reconocimiento al dispositivo que gener la interrupcin, de forma que

este suspende su seal de interrupcin.

28

4. El procesador necesita ahora prepararse para transferir el control a la rutina de interrupcin. Para empezar, hace falta salvar la informacin necesaria para reanudar la ejecucin del programa en curso en el punto de la la interrupcin. La mnima informacin es la palabra de estado del programa (PSW) y la ubicacin de la prxima instruccin a ejecutar.

5. El procesador carga ahora el contador de programa con la ubicacin de entrada del programa de tratamiento de interrupcin.

6. La rutina de interrupcin suele comenzar salvando el contenido de los registros del procesador porque la rutina puede utilizarlos y se perdera la informacin que la ejecucin del proceso interrumpido hubiera dejado en ellos.

29

7. La rutina de tratamiento de la interrupcin procesa la interrupcin realizando las acciones requeridas para atenderla.

8. Tras completar el tratamiento de la interrupcin, se recuperan de la pila los valores de los registros que se salvaron y se restauran en los correspondientes registros.

9. El paso final es restaurar los valores del la PSW y del contador de programa tambin a partir de la pila y continuar con la ejecucin del programa interrumpido.

30