Estructura de Computadores

Tema 1. Introduccin a los computadores

Departamento de Informtica Grupo de Arquitectura de Computadores, Comunicaciones y Sistemas

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ARCOS Estructura de Computadores 2

Contenido

1. Qu es un computador? 2. Concepto de estructura y arquitectura 3. Elementos constructivos de un computador 4. Arquitectura Von Neumann 5. Instrucciones mquina. Programacin 6. Fases de ejecucin de una instruccin 7. Parmetros caractersticos de un computador 8. Evolucin histrica

ARCOS Estructura de Computadores 3

Qu es un computador?

?

ARCOS Estructura de Computadores 4

Qu es un computador?

Industria de los semiconductores

ARCOS Estructura de Computadores 5

Fuente: embedded.com

Tipos de procesadores

ARCOS Estructura de Computadores 6

Fuente: embedded.com

! Procesadores: 2% de la industria de los semiconductores

! Procesadores para PC: 2 % de todos los procesadores

! Un coche de tipo medio tiene una docena de microprocesadores ! Un BMW serie 7 tiene ms de 65

ARCOS Estructura de Computadores 7

Qu es un computador?

Procesador datos

Instrucciones

resultados

! Mquina destinada a procesar datos.

ARCOS Estructura de Computadores 8

Qu es un computador?

Procesador datos

Instrucciones

resultados

! Desde el punto de vista matemtico es una mquina abstracta que evala

}{ }{ mnf 1,01,0:

ARCOS Estructura de Computadores 9

Estructura y arquitectura

! Estructura " Componentes de un computador " Organizacin de los componentes

! Arquitectura: atributos visibles para un programador " Juego de instrucciones que ofrece la mquina " Tipo y formato de datos que es capaz de utilizar el

computador " Nmero y tamao de los registros " Tcnicas y mecanismos de E/S " Tcnicas de direccionamiento de la memoria

! Tecnologa: cmo se construyen los componentes

Conceptos de repaso

! Sistema binario ! Elementos constructivos de un computador " Transistores " Puertas lgicas " Principales bloques conbinacionales " Principales elementos secuenciales

ARCOS Estructura de Computadores 10

Sistema binario

! Binario X = 1 0 1 0 0 1 0 1 ... 27 26 25 24 23 22 21 20

" d31d30 ... d1d0 : n de 32 bits (dgitos binarios) " Valor = d31 231 + d30 230 + ... + d1 21 + d0 20

! Hexadecimal Y = 0x F 1 F A 8 0 ... 165 164 163 162 161 160

" De binario a hexadecimal: ! Agrupar de 4 en 4 bits, de derecha a izquierda ! Cada 4 bits es el valor del dgito hexadecimal ! Ej.: 1 0 1 0 0 1 0 1

ARCOS Estructura de Computadores 11

0x A 5

Pregunta

! Cuntos cdigos distintos se pueden codificar con 8 bits?

! Cuntos bits hacen falta para representar 512 cdigos?

ARCOS Estructura de Computadores 12

ARCOS Estructura de Computadores 13

Transistor

E

A

B

E

A

B

N-MOS P-MOS

E funcionamiento 1 Conecta A con B (circuito abierto) 0 No conecta A con B (circuito cerrado)

E funcionamiento 0 Conecta A con B (circuito abierto) 1 No conecta A con B (circuito cerrado)

(valores lgicos)

Puertas lgicas. Inversor (NOT)

ARCOS Estructura de Computadores 14

E S

V3,3

E S E S 3.3 0 1 0 0 3.3 0 1

Puertas lgicas. NOR

A B C 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

ARCOS Estructura de Computadores 15

Puertas lgicas. OR

A B C0 0 00 1 11 0 11 1 1

ARCOS Estructura de Computadores 16

Puertas lgicas. NAND

A B C0 0 10 1 11 0 11 1 0

ARCOS Estructura de Computadores 17

Puertas lgicas. AND

A B C 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

ARCOS Estructura de Computadores 18

ARCOS Estructura de Computadores 19

Bloques constructivos

! Circuitos combinacionales " La salida depende de los valores de entrada " Sin estado

! Circuitos secuenciales " La salida depende de la entrada y del estado actual " Almacenan informacin

ARCOS Estructura de Computadores 20

Decodificador

! N entradas, 2N salidas

ARCOS Estructura de Computadores 21

Multiplexor

! Selecciona con n bits, 2n entradas

A B C D

MUX S1 S0

S

ARCOS Estructura de Computadores 22

Elementos de memoria Biestables R-S

! Elemento que almacena un bit

ARCOS Estructura de Computadores 23

Elementos de memoria Biestables D

! Elemento que almacena un bit

Q

Q C

D Q C

ARCOS Estructura de Computadores 24

Elementos de memoria Registro

! Elemento que almacena un conjunto de bits

ARCOS Estructura de Computadores 25

Esquema de un registro

Registro

Entrada

Carga

Salida

ARCOS Estructura de Computadores 26

Memoria

k = 2n posiciones

m bits

Espacio de direcciones: Nmero de posiciones

Tamao de cada posicin: Nmero de bits por posicin

ARCOS Estructura de Computadores 27

Componentes de un computador

Procesador Memoriaprincipal

Mdulo de E/S Mdulo de E/S

Perifrico Perifrico

Bus de controlBus de datosBus de direcciones

Computador von Neumann

! Mquina capaz de ejecutar una serie de instrucciones elementales: instrucciones mquina " Instrucciones almacenadas en

memoria " Ledas " Ejecutadas

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ARCOS Estructura de Computadores 29

Arquitectura Von Neumann

Procesador Memoriaprincipal

Mdulo de E/S Mdulo de E/S

Perifrico Perifrico

Bus de controlBus de datosBus de direcciones

ARCOS Estructura de Computadores 30

Memoria

Procesador Memoriaprincipal

Mdulo de E/S Mdulo de E/S

Perifrico Perifrico

Bus de controlBus de datosBus de direcciones

Almacena: ! instrucciones ! datos

ARCOS Estructura de Computadores 31

Memoria

Memoria

direccin Dato/instruccin

L E

00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111

MAR MBR

Registro de direcciones de memoria Registro de datos de memoria

ARCOS Estructura de Computadores 32

Procesador

Procesador

Memoriaprincipal

Mdulo de E/S Mdulo de E/S

Perifrico Perifrico

Bus de controlBus de datosBus de direcciones

Registros

Unidad decontrol

ALU

Estructura que almacena un conjunto de bits

Realiza las operaciones

Ejecuta las instrucciones

ARCOS Estructura de Computadores 33

Registros especiales

Procesador

Memoriaprincipal

Mdulo de E/S Mdulo de E/S

Perifrico Perifrico

Bus de controlBus de datosBus de direcciones

Registros

Unidad decontrol

ALU

PC: contador de programa RI: registro de instruccin

Unidad aritmtico-lgica

! Realiza operaciones elementales sobre los datos: " Operaciones aritmticas " Operaciones lgicas

ARCOS Estructura de Computadores 34

ARCOS Estructura de Computadores 35

Programa

! Secuencia consecutiva de instrucciones mquina

00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111

ARCOS Estructura de Computadores 36

Programa

! Secuencia consecutiva de instrucciones mquina

00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001 01011000000010011100011010101111

temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;

ARCOS Estructura de Computadores 37

Ejecucin de un programa

Fichero ejecutable 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Disco

Memoria principal

Procesador

PC RI

ARCOS Estructura de Computadores 38

Ejecucin de un programa

Fichero ejecutable 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Disco

Memoria principal

Procesador

PC RI

ARCOS Estructura de Computadores 39

Ejecucin de un programa

Fichero ejecutable 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Disco

Memoria principal

Procesador

PC RI

ARCOS Estructura de Computadores 40

Ejecucin de un programa

Fichero ejecutable 00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

00001001110001101010111101011000 10101111010110000000100111000110 11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Disco

Memoria principal

Procesador

PC RI 00001001110

ARCOS Estructura de Computadores 41

Ejemplo

! Conjunto de instrucciones con las siguientes caractersticas: " Tamao de una posicin de memoria: 16 bits " Tamao de la instruccin: 16 bits " Cdigo de operacin: 3 bits ! Cuntas instrucciones diferentes puede tener este

computador? ! Nmero de registros de propsito general: 4 ! Identificadores simblicos:

" R0 " R1 " R2 " R3

! Cuntos bits se necesitan para representar estos 4 registros?

ARCOS Estructura de Computadores 42

Ejemplo

! Conjunto de instrucciones con las siguientes caractersticas: " Tamao de una posicin de memoria: 16 bits " Tamao de la instruccin: 16 bits " Cdigo de operacin: 3 bits ! Cuntas instrucciones diferentes puede tener este

computador? 8 instrucciones ! Nmero de registros de propsito general: 4 (2 bits) ! R0 (00) ! R1 (01) ! R2 (10) ! R3 (11)

Ejemplo. Juego de instrucciones

Instruccin Descripcin

000EFABCDXXXXXXX Suma el registro AB con el CD y deja el resultado en EF 001AB00000000101 Almacena en el registro AB el valor 00000000101 010AB00000001001

Almacena en el registro AB el valor almacenado en la posicin de memoria 00000001001

011AB00000001001

Almacena en la posicin de memoria 00000001001 el contenido del registro AB

1000000000001001

Se salta a ejecutar la instruccin almacenada en la posicin de memoria 0000000001001

101ABCD000001001

Si el contenido del registro AB es igual al del registro CD se salta a ejecutar la instruccin almacenada en 000001001

ARCOS Estructura de Computadores 43

Siendo A,B, C, D, E, F = 0 o 1

Formato de una instruccin mquina

ARCOS Estructura de Computadores 44

001 AB 00000000101

Formato de una instruccin mquina

ARCOS Estructura de Computadores 45

001 AB 00000000101

Cdigo de operacin

Formato de una instruccin mquina

ARCOS Estructura de Computadores 46

001 AB 00000000101

Cdigo de operacin

Operandos Registros Direcciones de memoria Nmeros

Ejemplo. Juego de instrucciones

Instruccin Descripcin

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01

0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101 0100100000001001

Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posicin de memoria 00000001001

0110100000001001

Almacena en la posicin de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001

Se salta a ejecutar la instruccin almacenada en la posicin de memoria 0000000001001

1010100000001001

Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instruccin almacenada en 000001001

ARCOS Estructura de Computadores 47

Ejemplos

! Instruccin que almacena un 5 en el registro 00

! Instruccin que almacena un 7 en el registro 01

! Instruccin que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10

! Instruccin que almacena el resultado anterior en la posicin de memoria 1027 (en decimal)

ARCOS Estructura de Computadores 48

Ejemplos

! Instruccin que almacena un 5 en el registro 00

! Instruccin que almacena un 7 en el registro 01

! Instruccin que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10

! Instruccin que almacena el resultado anterior en la posicin de memoria 1027 (en decimal)

ARCOS Estructura de Computadores 49

Instruccin Descripcin

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01 0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101 0100100000001001

Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posicin de memoria 00000001001

0110100000001001

Almacena en la posicin de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001

Se salta a ejecutar la instruccin almacenada en la posicin de memoria 0000000001001

1010100000001001

Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instruccin almacenada en 000001001

Ejemplos Solucin

! Instruccin que almacena un 5 en el registro 00 " 0010000000000101

! Instruccin que almacena un 7 en el registro 01 " 0010100000000111

! Instruccin que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10 " 000100001XXXXXXX

! Instruccin que almacena el resultado anterior en la posicin de memoria 1027 (en decimal) " 0111010000000011

ARCOS Estructura de Computadores 50

ARCOS Estructura de Computadores 51

Ejemplo de programa

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

ARCOS Estructura de Computadores 52

Inicio de la ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000100

? ? ? ?

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

?

ARCOS Estructura de Computadores 53

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000100

ARCOS Estructura de Computadores 54

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000100

000100

ARCOS Estructura de Computadores 55

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000100

000100

ARCOS Estructura de Computadores 56

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000100

000100 0010000000000000

ARCOS Estructura de Computadores 57

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

ARCOS Estructura de Computadores 58

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS Estructura de Computadores 59

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS Estructura de Computadores 60

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS Estructura de Computadores 61

Ejecucin de instrucciones

0010000000000000 RI

R0 0000000000 Se carga en R0 el valor 0

ARCOS Estructura de Computadores 62

Ejecucin de instrucciones

0100100000001001 RI

R1 MP[00000001001]

00000001001 0000000000000101 Direccin Contenido

Se carga en R1 el contenido de la posicin de memoria 00000001001

ARCOS Estructura de Computadores 63

Ejecucin de instrucciones

1000000000001000 RI

PC 0000000001000

Se modifica el PC con la direccin 0000000001000 de forma que la siguiente instruccin a ejecutar es la que se

encuentra en 0000000001000

ARCOS Estructura de Computadores 64

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS Estructura de Computadores 65

Fases de ejecucin de una instruccin

! Lectura de la instruccin (ciclo de fetch) " MAR PC " Lectura " MBR Memoria " PC PC + 1 " RI MBR

! Decodificacin de la instruccin

! Ejecucin de la instruccin ! Volver a fetch

PC

000100 0010000000000000 Direccin Contenido

Memoria

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS Estructura de Computadores 66

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000100

? ? ? ?

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

?

Fetch

ARCOS Estructura de Computadores 67

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000100

? ? ? ?

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010000000000000

Fetch Lectura de la Inst.

ARCOS Estructura de Computadores 68

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000101

? ? ? ?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010000000000000

Fetch PC PC + 1

ARCOS Estructura de Computadores 69

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000101

? ? ? ?

000100 000101

000110

000111

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010000000000000

Decodificacin

ARCOS Estructura de Computadores 70

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000101

? ? ?

000100 000101

000110

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010000000000000

Ejecucin R0 00000000000

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 71

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000101

? ? ?

000100 000101

000110

000111

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010000000000000

Fetch

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 72

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000101

? ? ?

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0111100000100000

Direccin Contenido

0010100000000100

Fetch Lectura de la Inst.

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 73

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000110

? ? ?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010100000000100

Fetch PC PC +1

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 74

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000110

? ? ?

000100 000101

000110

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010100000000100

Decodificacin

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 75

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000110

00000000100 ? ?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010100000000100

Ejecucin R1 00000000100

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 76

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000110

00000000100 ? ?

000100 000101

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0010100000000100

Fetch

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 77

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000110

00000000100 ? ?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011000000000001

Fetch Lectura de la Inst.

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 78

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000111

00000000100 ? ?

000100 000101

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011000000000001

Fetch PC PC +1

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 79

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000111

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011000000000001

Decodificacin

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 80

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000111

00000000100 00000000001

?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011000000000001

Ejecucin R2 00000000001

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 81

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000111

00000000100 00000000001

?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011000000000001

Fetch

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 82

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

000111

00000000100 00000000001

?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011100000000000

Fetch Lectura de la Inst.

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 83

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001000

00000000100 00000000001

?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011100000000000

Fetch PC PC +1

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 84

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001000

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?

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011100000000000

Decodificacin

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 85

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001000

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011100000000000

Ejecucin R3 00000000000

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 86

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

0011100000000000

Fetch

00000000000

ARCOS Estructura de Computadores 87

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001000

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch Lectura de la Inst.

00000000000

1010001000001100

ARCOS Estructura de Computadores 88

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001001

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch PC PC +1

00000000000

1010001000001100

ARCOS Estructura de Computadores 89

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001001

00000000100 00000000001 00000000000

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1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Decodificacin

00000000000

1010001000001100

ARCOS Estructura de Computadores 90

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001001

00000000100 00000000001 00000000000

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Ejecucin Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instruccin almacenada en 000001100

00000000000

1010001000001100

ARCOS Estructura de Computadores 91

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001001

00000000100 00000000001 00000000000

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch

00000000000

1010001000001100

ARCOS Estructura de Computadores 92

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001001

00000000100 00000000001 00000000000

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch Lectura de la Inst.

00000000000

0001111100000000

ARCOS Estructura de Computadores 93

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001010

00000000100 00000000001 00000000000

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch PC PC + 1

00000000000

0001111100000000

ARCOS Estructura de Computadores 94

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001010

00000000100 00000000001 00000000000

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Decodificacin

00000000000

0001111100000000

ARCOS Estructura de Computadores 95

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001010

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Ejecucin R3 R3 + R2

00000000000

0001111100000000

ARCOS Estructura de Computadores 96

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001010

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch

00000000000

0001111100000000

ARCOS Estructura de Computadores 97

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001010

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch Lectura de la Inst.

00000000000

0000000100000000

ARCOS Estructura de Computadores 98

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001011

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch PC PC +1

00000000000

0000000100000000

ARCOS Estructura de Computadores 99

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001011

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Decodificacin

00000000000

0000000100000000

ARCOS Estructura de Computadores 100

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001011

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Ejecucin R0 R0 + R2

00000000001

0000000100000000

ARCOS Estructura de Computadores 101

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001011

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch

00000000001

0000000100000000

ARCOS Estructura de Computadores 102

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001011

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch Lectura de la Inst.

00000000001

1000000000001000

ARCOS Estructura de Computadores 103

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001100

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Fetch PC PC +1

00000000001

1000000000001000

ARCOS Estructura de Computadores 104

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001100

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Decodificacin

00000000001

1000000000001000

ARCOS Estructura de Computadores 105

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

001100

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Ejecucin Se salta a ejecutar la instruccin

almacenada en la posicin de memoria 0000000001000

00000000001

1000000000001000

ARCOS Estructura de Computadores 106

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

0001000

00000000100 00000000001 00000000001

000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

Ejecucin PC 0000000001000

00000000001

1000000000001000

ARCOS Estructura de Computadores 107

Ejecucin del programa

PC

RI

00 01 10 11

0001000 000100 000101

000110

000111

001000

001001

001010 001011

001100

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000 1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Direccin Contenido

1000000000001000

Contina la ejecucin

00000000001 00000000100 00000000001 00000000001

ARCOS Estructura de Computadores 108

Algoritmo del programa anterior

i=0; s = 0; while (i < 4) { s = s + 1; i = i + 1; }

El programa almacena en la posicin de memoria 00000100000 el valor: 1 + 1 + 1 + 1

ARCOS Estructura de Computadores 109

Lenguaje ensamblador

li R0, 0 li R1, 4 li R2, 1 li R3, 0 bucle: beq R0, R1, fin add R3, R3, R2 add R0, R0, R2 b bucle fin: sw R3, 100000

ARCOS Estructura de Computadores 110

Secuencia de ejecucin de instrucciones

Lectura de la instruccin

Arranque

Parada

DecodificacinEjecucin dela instruccin

Microprocesador

! Incorpora las funciones de la CPU de un computador en un nico circuito integrado

ARCOS Estructura de Computadores 111

ARCOS Estructura de Computadores 112

Ley de Moore

ARCOS Estructura de Computadores 113

Ley de Moore

! Doblar la densidad implica reducir las dimensiones de sus elementos en un 30%

! En 1971 el Intel 4004 tena 2300 transistores con tamaos de 10 micrometros

! Hoy en da se consiguen chips con distancias de 45 nanometros

! Para cumplir la ley de Moore se necesita tecnologa cuyo precio se dobla cada 4.4 aos

ARCOS Estructura de Computadores 114

Proceso de fabricacin

Mejoras en la tecnologa

! Memoria " Capacidad de DRAM: 2x / 2 aos (desde 96);

64x en la ltima decada ! Procesador " Velocidad: 2x / 1.5 aos (desde 85);

100X en la ltima decada. ! Discos " Capacidad: 2x / 1 ao (desde 97)

250X en la ltima decada.

ARCOS Estructura de Computadores 115

Parmetros caractersticos de un computador

! Juego de instrucciones ! Ancho de palabra: tamao que el computador puede transferir

y procesar "Coincide con el tamao de los registros, buses, ALU

! Mapa de memoria: "Espacio de memoria accesible por un computador "Si la memoria se direcciona por bytes (es decir, cada

direccin representa un byte), el tamao de memoria accesible es de 2n bytes

! Frecuencia de reloj: frecuencia del reloj que gobierna el funcionamiento del procesador (MHz, GHz) "Nmero medio de ciclos por instruccin

ARCOS Estructura de Computadores 116

Parmetros caractersticos de un computador

! Ancho de banda: nmero de bits transferidos por unidad de tiempo.

! Latencia: tiempo transcurrido entre la emisin de una peticin y la recepcin de la respuesta.

! MIPS: millones de instrucciones por segundo ! MFLOPS: millones de operaciones en coma flotante por

segundo

ARCOS Estructura de Computadores 117

Ejercicio

! Considere un hipottico computador con un ancho de palabra de 20 bits con 60 registros que direcciona la memoria por bytes. Responda a las siguientes preguntas:

a) Cuntos bits se emplean para las direcciones de memoria? b) Cul es el tamao de los registros? c) Cuntos bits se almacenan en cada posicin de memoria? d) Cuntas posiciones de memoria se pueden direccionar? Exprese el resultado en KB. e) Cuntos bits se necesitan para identificar a los registros?

ARCOS Estructura de Computadores 118

ARCOS Estructura de Computadores 119

Prefijos

Nombre Abr Factor SI

Kilo K 210 = 1,024

103 = 1,000 Mega M 220 = 1,048,576

106 = 1,000,000 Giga G 230 = 1,073,741,824

109 = 1,000,000,000 Tera T 240 = 1,099,511,627,776

1012 = 1,000,000,000,000 Peta P 250 = 1,125,899,906,842,624

1015 = 1,000,000,000,000,000 Exa E 260 = 1,152,921,504,606,846,976

1018 = 1,000,000,000,000,000,000 Zetta Z 270 = 1,180,591,620,717,411,303,424

1021 = 1,000,000,000,000,000,000,000 Yotta Y 280 = 1,208,925,819,614,629,174,706,176

1024 = 1,000,000,000,000,000,000,000,000

Ejercicio

! Cuntos bytes almacena un disco duro de 250 GB ?

ARCOS Estructura de Computadores 120

ARCOS Estructura de Computadores 121

Prefijos

! 1 KB = 1024 bytes, pero en el SI es 1000 bytes

! Los fabricantes de disco duros y en telecomunicaciones emplea el SI.

" Un disco duro de 30 GB almacena 30 x 109 bytes

" Una red de 1Mbit/s transfiere 106 bps.

Nombre Abr Factor SI

Kilo K 210 = 1,024

103 = 1,000 Mega M 220 = 1,048,576

106 = 1,000,000 Giga G 230 = 1,073,741,824

109 = 1,000,000,000 Tera T 240 = 1,099,511,627,776

1012 = 1,000,000,000,000 Peta P 250 = 1,125,899,906,842,624

1015 = 1,000,000,000,000,000 Exa E 260 = 1,152,921,504,606,846,976

1018 = 1,000,000,000,000,000,000 Zetta Z 270 = 1,180,591,620,717,411,303,424

1021 = 1,000,000,000,000,000,000,000 Yotta Y 280 = 1,208,925,819,614,629,174,706,176

1024 = 1,000,000,000,000,000,000,000,000

ARCOS Estructura de Computadores 122

Evolucin histrica

! http://history.sandiego.edu/GEN/recording/computer1.html ! http://www.computerhope.com/history/ ! http://www.computerhistory.org/ ! http://www.computersciencelab.com/ComputerHistory/

History.htm ! Museos de informtica ! Buscar en google: Computer history