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Estructura de ComputadoresEstructura de ComputadoresEstructura de ComputadoresEstructura de Computadores
INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN
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ÍndiceÍndice
Objetivosj Bibliografía recomendada Introducción Esquema básico del computador Von Neumann Componentes Esquema básico del computador Von Neumann. Componentes
● La Memoria Principal● La Unidad Central de Proceso (CPU)
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU)• Registros• Unidad de Control• Fases de ejecución de una instrucción
● Unidad de Entrada-Salida Software de sistemas Software de sistemas Parámetros característicos Ejemplo
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ObjetivosObjetivos
Visión general de la estructura del computadorVisión general de la estructura del computador digital:
A it t V N● Arquitectura Von Neumann● Componentes● Ejecución de instrucciones
S ft d i t Software de sistemas
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BibliografíaBibliografía
de Miguel, P. "Fundamentos de los computadores",Paraninfo 2004 9ª ediciónParaninfo, 2004. 9 edición.
Stallings W "Organi ación arq itect ra de Stallings, W. "Organización y arquitectura de computadores", Prentice Hall, 2006, 7ª Edición.
4Dpto. Arquitectura y Tecnología de Sistemas Informáticos.Universidad Politécnica de Madrid
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IntroducciónIntroducción Función básica
Ejecución de instrucciones elementales, en las que están especificados:
● Operación a realizar● Datos o su localización Instrucciones máquina● Localización del resultado
Arquitectura Von Neumann
q
Arquitectura Von Neumann● Datos e instrucciones almacenados en memoria única de
lectura/escrituralectura/escritura● Contenido de la memoria accesible por direcciones● Ejecución implícitamente secuencial
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j p
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Esquema básico del computador Von Neumann.Esquema básico del computador Von Neumann. Componentes
DireccionesCPURegistros
DatosALU
Registros
Memoria
ControlU. Control
Principal
Unidad de E/S
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La Memoria PrincipalLa Memoria Principal
0Dirección Contenido
10111....11
10001....10.
01
r1+r2 -> r1
r1 -> mem(100)
Dirección (n bits)
Instrucciones
.
.
.
Dirección (n bits)
Datos (m bits)
P11111....10
01000....01
.100101
-2
"A"
CPU
Datos
.
.
.WR
RD
MEMRQ ..
m bits (tamaño de palabra)
2 -1nMEMRQ
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m bits (tamaño de palabra)Control
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Organización del espacio de memoriaOrganización del espacio de memoria
CódiCódigo
D t tátiDatos estáticos
Datos dinámicos
Pila
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Unidad Central de Proceso (CPU)Unidad Central de Proceso (CPU)
Unidad de ControlUnidad de Control● Extrae de Mp la instrucción a ejecutar● La analiza (decodifica)● La analiza (decodifica)● Da las órdenes al resto de componentes
é ó ( ) Unidad Aritmético-Lógica (ALU)Realiza la operación indicada por la UC sobre los d t d t ddatos de entrada
RegistrosgMemoria a corto plazo
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CPUUnidad Aritmético-Lógica (ALU)
Modelos de ejecución:• Registro-Registro
R i M i• Registro-Memoria• Memoria-Memoria
Registro de estado (RE)
ESCOpalu ESCre
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CPUUnidad Aritmético-Lógica (ALU)
Modelo Registro-Registro
Registro de estado (RE)
Opalu ESCreOpalu ESCre
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CPURegistros
De propósito general
De propósito específico De propósito específico
Transparentesp
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CPURegistros de propósito general (BR)
de la ALU de Mp (ld)SELmux_regs
de la ALU p ( )
R0R1R2
SELAR2....ESCbr
SELB
..
..A B
a la ALU
a Mp (st)A B
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CPU
de la Mp
Registros de propósito específico
ESC
p
SELmux_pcContador de programa
PCESCpc
n
+n
dirección de Mp
REESCre
de la ALU
REESCre
M
Registro de estado
a la ALU y U. Control
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CPU. Registros transparentesg p
Registro de instrucciónESCri
m
de la Mp
RIESCri
a la U. control
C.O. operandos
ESCar
Registro de direcciones
del PC
de la Mp (ld o st)BUS de direccionesA
RSELar
ESCdr1(ld)ESCdr2
Registro de datosBUS de datosD
R
BR, PC, RI, AR
BR
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CPUUnidad de Control
RI RSRE
Unidad de control CF
Reloj
. . . . . . . . . .
RD WR MEMRQ OPalu SELregs ESCar
Señales de control
ESCdr1
Señales de control
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CPUUnidad de Control
RI RS
C
RE
Unidad de control
. . . . . . . . . .
CF
Reloj
RD WR MEMRQ OPalu SELregs ESCar
Señales de control
ESCdr1
Juego de instrucciones:
• Transferencia (ld, st, mov, in, out)
• Procesamiento (add, and, shift)( )
• Salto (jump, jumpz, call, ret)
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Fases de ejecución de una instrucciónFases de ejecución de una instrucción
Comienzo
Búsqueda de instrucción(Fetch)(Fetch)
Decodificación
Ejecución
Preparaciónsiguiente instrucción
Finalización
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Fases de ejecución de una instrucciónFases de ejecución de una instrucción
Comienzo
Búsqueda de instrucción(Fetch)(Fetch)
Decodificación Buscar operandos
Ejecución Operación
Preparaciónsiguiente instrucción
Almacenar resultados
Finalización
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Diagrama simplificadoDiagrama simplificado
BR
ALU
BR
A B DR
Busdatos
ALU
PC +n Me
RE RI
AR
mori
Busdirecciones
RE RI
Unidad de control
ia
ESCRE
OpALU
. . . . . . .MEMRQ, RD, WR
Buscontrol
S ñ l d t l I t /E t
SELA
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Señales de control: Internas/Externas
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Ejemplo de instrucciones a ejecutarj p j
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Unidad de Entrada/SalidaUnidad de Entrada/Salida
DireccionesDirecciones
DatosCPU
Control
Módulo de E/S
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Unidad de Entrada/SalidaUnidad de Entrada/Salida
Di i i t d l di iti Direccionamiento de los dispositivos
Modos de realizar la operación de E/S● Programada● Mediante interrupciones● Mediante interrupciones● Por acceso directo a memoria (DMA)
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Entrada/Salida mediante interrupcionesEntrada/Salida mediante interrupciones
CPU Periférico
Inicio operación E/S
Ejecución programa P:i1 i1
i2 i3
i4
dato listoINT
Rutina tratam. i4
. . . . . .. . . . . . . . .transferenciadato a Mp. . . . . . . . .RTI
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Entrada/Salida por DMAEntrada/Salida por DMA
CPU
I i i ió E/S
Periférico
Inicio operación E/S
Ejecución programa P:i1
transferenciabloque de datos a Mp
i1 i2 i3
i4
INT
Rutina de tratam.fin de la transferenciadel bloque
i4 . . . . . .
. . . . . . . . .comprobaciónde transferenciacorrectacorrecta. . . . . . . . .RTI
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Software de sistemasSoftware de sistemas
Compiladores y EnsambladoresCompiladores y Ensambladores Montadores (linker) Cargadores (bootstrap)Cargadores (bootstrap) Depuradores Editores de texto Editores de texto Sistema operativo
● Gestión de recursos (CPU Mp E/S)● Gestión de recursos (CPU, Mp, E/S)● Ocultar la complejidad de los periféricos● Protección de recursosProtección de recursos
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Parámetros característicosParámetros característicos
Ancho de palabrap● 8, 16, 32, 64 bits
Tamaño de la memoria● K, Mega, Giga, Tera, Peta bytes
Frecuencia de reloj● Mega hercios (MHz) Giga hercios (GHz)● Mega hercios (MHz), Giga hercios (GHz)
Duración de las operaciones● mili (m), micro (u, ), nano (n), pico (p), fento (f) segundos ( ), ( , ), ( ), p (p), ( ) g
Capacidad de cómputo (velocidad)● MIPS, MFLOPS, specint, specfp
Ancho de banda (caudal)● KB/s (KBps), MB/s (MBps), Kb/s (Kbps), Mb/s (Mbps)
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