tema 1 introducció a l'estructura i a la tecnologia de computadors

ESTRUCTURA I TECNOLOGIA DE COMPUTADORS

1

1

INTRODUCCIÓ

1.1 Sistemes digitals

1.2 Estructura bàsica d’un computador

Dr. Joaquim Salvi, Dr. Arnau OliverEscola Politècnica Superior

Universitat de Girona

2

INTRODUCCIÓ


Analògic

La major part de les dades físiques presents en la natura varien de forma contínua i les anomenem dades analògiques.

Ex: temperatura, humitat, lluminositat, velocitat del vent, etc.

Quan prenem mesures d’una dada física estem mostrejant la dada, obtenint un conjunt de dades discretes.

3

INTRODUCCIÓ


1.1 Sistemes Digitals

Les dades discretes es poden processar, emmagatzemar i transmetre d’una forma més eficient emprant sistemes digitals.

Els sistemes digitals són sistemes electrònics on les senyals elèctriques només tenen dos estats (Alt/Baix, Vcc/GND, 1/0)

Molts sistemes necessiten conversions Analògic/Digital i Digital/Analògic quan s’han de comunicar amb humans.

4

INTRODUCCIÓ


Dígits binaris

Un dígit binari rep el nom de BIT (Binary digIT) i només pot prendre dos valors: 1 o 0.

Els dígits binaris 1 i 0 s’expressen per uns valors de voltatge que tenen unes toleràncies en funció de la tecnologia emprada.

Tecnologies: TTL, CMOS, ECL , etc.

5

INTRODUCCIÓ


Senyal digital

Les senyals digitals estan formades per una sèrie de polsos o nivells (alt i baix) i transicions entre nivells que anomenem flancs (pujada i baixada).

Nivell alt

Nivell baix

Flanc de baixada Flanc de pujada

6

INTRODUCCIÓ


Nivell Alt

Nivell Baix

Invàlid

Senyal digital

Les transicions no són ideals i donen lloc als següents fenòmens.

7

INTRODUCCIÓ


Senyal de Clock

Algunes senyals digitals són periòdiques amb uns polsos que es repeteixen al llarg del temps en un interval fix anomenat període.

El període (T) serà el temps entre dues repeticions d’aquest interval.

La freqüència (f) es la magnitud que mesura el nombre de repeticions per unitat de temps (segon) i es mesura en Hertz.

El clock és la senyal periòdica que marca el ritme de treball d’un sistema digital.

T

8

INTRODUCCIÓ


Senyal de Clock

A part del període i de la freqüència d’una senyal de clock, ens interessa l’amplitud (A), l’amplada de pols (tw) i el temps de càrrega (Duty cycle) que equival a tw / T .

9

INTRODUCCIÓ


Diagrama de temps

El diagrama de temps ens mostra la relació entre varies senyals digitals al llarg del temps.

Utilitzarem l'oscil·loscopi o l’analitzador lògic per extreure el diagrama de temps d’un sistema digital.

10

INTRODUCCIÓ


1.2 Estructura bàsica d’un computador

Un computador és un sistema digital programable, versàtil, capaç de realitzar un determinat nombre d’operacions que anomenem instruccions.

Els computadors també s’anomenen processadors.

11

INTRODUCCIÓ


Programa

Seqüència d’instruccions per a resoldre un determinat problema. Quan el programa està essent executat pel computador rep el nom de procés. Les instruccions són en llenguatge màquina.

Llenguatge assembladorLlenguatge màquina

12

INTRODUCCIÓ


Programa

Llenguatges de programació:

13

INTRODUCCIÓ


Llenguatge de programació

És un programa que facilita a l’usuari la creació d’altres programes amb la seguretat de que podran ser “entesos” pel computador.

Ex: C, Pascal, Cobol, Java, Fortran, ...

Traducció (Compilació): Es tradueix el programa original generant un segon programa que entén el computador al seu executat.

Execució més ràpida. Necessita més memòria i més temps de programació.

Interpretació: Al executar un programa, s’interpreta cada instrucció individualment generant les d’ordres que entén el computador.

Execució més lenta. Necessita menys memòria i menys temps de programació.

14

INTRODUCCIÓ


Llenguatge de programació

Un determinat problema es pot resoldre amb programari (Sw -programa) o amb maquinari (Hw – circuits elèctrics).

El hardware té una velocitat d’execució major, però la màquina es menys versàtil / adaptable.

El software té menys velocitat d’execució, però la màquina pot ser més senzilla i versàtil.

També es pot fer servir un model híbrid anomenat Firmware que consisteix amb hardware reprogramable i/o software en llenguatge màquina gravat en memòries PROM, EPROM, Flash...

15

INTRODUCCIÓ


Nivells jeràrquics

Es defineix el computador com una màquina composta per una sèrie de màquines virtuals (programari) on a cada una de elles se li associa un llenguatge màquina (programari).

El llenguatge màquina és el conjunt d’instruccions que una màquina (virtual o física) pot executar.

El model jeràrquic té l’avantatge que només haguem de conèixer la màquina virtual a partir de la qual accedim al computador, desenvolupant els programes amb el seu llenguatge màquina, sense haver-nos de preocupar dels nivells jeràrquics inferiors.

16

INTRODUCCIÓ


Nivell Usuari o Aplicació

Nivell Llenguatge Alt Nivell

Nivell Llenguatge

Assemblador

Nivell Sistema Operatiu

Nivell Llenguatge Màquina

Nivell de micro-

programació

Nivell Electrònic

Nivell Físic

Nivell de lògica digital Màquina

Física

Màquines

Virtuals

Interpretació

Traducció

Circuits lògics que executen

instruccions bàsiques

Microprogrames

Cada instrucció li correspon

un micrograma.

Programes que gestionen

els recursos del computador

Nivell programador de

sistemes

Nivell programador

d’aplicacions

Nivell

UsuariN7

N6

N5

N4

N3

N2

N1

Firmware

Software

Hardware

17

INTRODUCCIÓ


Nivell Usuari o Aplicació

Nivell Llenguatge Alt Nivell

Nivell Llenguatge

Assemblador

Nivell Sistema Operatiu

Nivell Llenguatge Màquina

Nivell de micro-

programació

Nivell Electrònic

Nivell Físic

Nivell de lògica digital Màquina

Física

Màquines

Virtuals

Interpretació

Traducció

Circuits lògics que executen

instruccions bàsiques

Microprogrames

Cada instrucció li correspon

un micrograma.

Programes que gestionen

els recursos del computador

Nivell programador de

sistemes

Nivell programador

d’aplicacions

Nivell

UsuariN7

N6

N5

N4

N3

N2

N1

Firmware

Software

Hardware

ETC

18

INTRODUCCIÓ


Arquitectura Von Neumann

Arquitectura d’un computador

Arquitectura Von Neumann: CPU+ Memòria +E/S

19

INTRODUCCIÓ



La Memòria

La memòria s’organitza com una seqüència de cel·les. Cada cel·la té una adreça diferent i totes poden guardar una única dada. Les dades es poden llegir i escriure (L/E).

20

INTRODUCCIÓ



La Memòria

Capacitat d’una memòria = 2𝑛 · 𝑚 bits, on 2𝑛 es el nombre de cel·les i 𝑚 el nombre de bits que pot guardar cada cel·la.

Tipus de memòries:

RAM – Random Accés Memory. Són memòries de L/E. Són volàtils (només conserven el valor quan estan alimentades). Són d’accés aleatori (es pot accedir a qualsevol posició; el contrari són memòries d’accés seqüencial).

ROM – Read Only Memory. Són memòries de només lectura (es graven off-line). Són d’accés aleatori i són no volàtils.

21

INTRODUCCIÓ



La Memòria: Possibles configuracions d’una memòria de 4096 bits

22

INTRODUCCIÓ



CPU (Central Process Unit): És el processador del computador. El xip que s’encarrega d’executar les instruccions en llenguatge màquina.

23

INTRODUCCIÓ



CPU (Central Process Unit):

24

INTRODUCCIÓ



E/S:

25

INTRODUCCIÓ



Busos:

26

INTRODUCCIÓ



Busos:

27

INTRODUCCIÓ



UNIDAD DE E/S

Arquitectura Hardvard

28

INTRODUCCIÓ


Més informació:

Floyd, Thomas L. (2009). Digitals Fundamentals. PearsonInternational. – Capítol 1

Wikipedia: Arquitectura Von Neumann i Arquitectura Harvard

tema 1 introducció a l'estructura i a la tecnologia de computadors

Education