1 Componentes y funcionamiento de la computadora (alto nivel)

2 Componentes de la computadora

3 Introducción. Principales componentes de la computadora:Procesador (CPU). Memoria principal. Módulos de entrada salida. Intercambian datos y señales de control Bus compartido (conjunto de líneas).

4 Introducción. Mediante la interconexión de los anteriores componentes se lleva a cabo la función básica de la computadora, Ejecutar programas. La computadora se puede describir, Por el comportamiento de cada uno de sus componentes (datos y señales que intercambian entre ellos). Estructura de interconexión y los controles necesarios para gestionar la estructura.

5 Componentes Diseño de Neumann basado en tres conceptos claves,Datos e instrucciones se almacenan en una sola memoria de Lectura/Escritura. La memoria se direcciona indicando su posición (no importa el tipo de dato contenido). La ejecución se produce se manera secuencial.

6 Componentes Existen componentes lógicos básicos que pueden combinarse para almacenar datos y realizar operaciones aritméticas y lógicas con esos datos. Para cálculos concretos es posible utilizar configuraciones de componentes específicos o, Utilizar diversos componentes para obtener una configuración deseada.  Hardwire program

7 Componentes En una configuración de HW de uso general para funciones lógicas y aritméticas, se realizarán diferentes funciones según las señales de control aplicadas. En un HW específico  Se aceptan datos y se producen resultados. Con HW de uso general, el sistema acepta datos y señales de control  produce resultados según las señales de control.

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10 Componentes En lugar de reconfigurar HW, se utilizan secuencias de código que son transformada en instrucciones que son transformadas a señales de control mediante HW. Para lo anterior es necesario módulos de entrada que capten los datos e instrucciones y módulos de salida que muestren los resultados  E/S.

11 Componentes Habrá operaciones en que se necesite acceder a más de un operando. Por lo que es necesario un espacio donde guardar de manera temporal las instrucciones y datos. Memoria principal. Según Neumann esos datos e instrucciones podían ser guardados en una misma memoria.

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13 Funcionamiento de la computadora

14 Funcionamiento Función básica de la computadora  ejecución de programas almacenados en memoria. El procesador es el encargado de ejecutar las instrucciones de estos programas. Dos etapas de ejecución: Captación. Ejecución.

15 Funcionamiento Ciclo de instrucción básico.

16 Funcionamiento La CPU utiliza un registro llamado PC (program counter) para saber que instrucción se ejecutará a continuación. La CPU incrementa el PC después de captar cada instrucción. P.e. Suponemos que PC = 300  el CPU captará la próxima instrucción en la dirección 300. En los siguientes ciclos de instrucción captará las instrucciones almacenadas en las posiciones 301, 302, 303, etc… La secuencia anterior puede ser alterada.

17 Funcionamiento La CPU utiliza un registro llamado IR (instruction register) para almacenar la instrucción captada. Esta instrucción es escrita utilizando un código binario que especifica la acción que el CPU realizará. La CPU interpreta esta instrucción y lleva a cabo la acción requerida.

18 Funcionamiento Las acciones generalmente pueden ser de cuatro tipos,Procesador – Memoria  transferencia de datos. Procesador – E/S  transferencia de datos. Procesamiento de datos  operación aritmética o lógica con datos. Control  alteración de secuencia de instrucciones. La ejecución de una instrucción puede implicar más de una acción.

19 Ejemplo:

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21 Funcionamiento En el ejemplo anterior se utilizan 3 ciclos de instrucción, cada uno con su ciclo de captación y ciclo de ejecución para la suma de la localidad 940 y 941. Con algunas instrucciones más complejas, el ciclo de ejecución puede ocasionar más de una referencia a memoria (o E/S). Por lo que se proporcionar una visión más detallada del ciclo de instrucción básico.

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23 Interrupciones En todas las computadoras se dispone de mecanismos mediante los cuales otros módulos (E/S, memoria) pueden interrumpir el procesamiento normal de la CPU. Mediante interrupciones se obtiene eficiencia de procesamiento  dispositivos E/S lentos. P. e. Suponga la transferencia de datos a una impresora, después de cada operación de escritura tendrá que parar su ejecución y permanecer ocioso hasta que la impresora complete la escritura.

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26 Interrupciones Con el uso de las interrupciones el CPU puede dedicarse a ejecutar otras instrucciones mientras una operación de E/S esta en curso. Cuando un dispositivo esta preparado (p.e. ha terminado una operación y esta listo para aceptar más datos del CPU) envía una señal de petición de interrupción el CPU. El procesador suspende la operación del programa en ejecución y salta al programa del gestor de interrupción. Una vez que atiende al dispositivo el CPU prosigue con la ejecución del programa pendiente.

27 El CPU y el SO son los encargados de gestionar el mecanismo de interrupciones.

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29 Cambio de contexto vs. Tiempos de E/SInterrupciones Si hay alguna interrupción pendiente el CPU hace lo siguiente, Suspende la ejecución del programa en curso y guarda su contexto. Carga el PC con la dirección de comienzo de una rutina de gestión de interrupción. Cambio de contexto vs. Tiempos de E/S

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32 Interrupciones múltiplesSuponga dos dispositivos produciendo interrupciones frecuentemente. Línea de datos  interrumpiendo cada vez que llega una unidad de datos. Impresora  generando interrupción cada vez que finaliza una escritura.

33 Interrupciones múltiplesAlternativas, Interrupción inhabilitada. Prioridades de interrupciones.

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37 Estructuras de interconexiónLa computadora esta constituida por unidades que se comunican entre sí. Lo anterior presenta una necesidad de líneas de interconexión  estructura de interconexión. El diseño de esta estructura depende de los intercambios entre las unidades.

38 Estructuras de interconexiónIntercambios: Memoria  una palabra de datos puede leerse de o escribirse en la memoria. El tipo de operación se indica con las señales de control Read y Write. Módulo de E/S  operaciones leer y escribir, obtención de datos desde dispositivos externos/internos y señales de interrupción. Procesador  lee instrucciones y datos, escribe datos procesados, utiliza señales para controlar el funcionamiento y recibe señales de control.

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40 Estructuras de interconexiónLa estructura de interconexión debe soportar las siguientes transferencias: Memoria a procesador. Procesador a memoria. E/S a procesador. Procesador a E/S. Memoria a E/S y viceversa.

41 Interconexión con busesBus  camino de comunicación entre dos o más dispositivos. Características: Es un medio de transmisión compartido. Cualquier señal transmitida por uno de los varios dispositivos conectados esta disponible para los demás. Las señales pueden solaparse o distorsionarse, por lo que sólo un dispositivo puede transmitir exitosamente en un momento dado.

42 Interconexión con busesUsualmente un bus esta constituido por varias líneas. Cada línea es capaz de transmitir señales binarias (0 y 1). En un intervalo de tiempo se puede transmitir una secuencia de dígitos a través de una sola línea. Es común utilizar varias líneas del bus para transmitir dígitos binarios simultáneamente (en paralelo).

43 Interconexión con busesLas computadoras poseen varios tipos de buses que proporcionan comunicación a distintos niveles dentro de la jerarquía del sistema. El bus que conecta los componentes principales de la computadora es llamado bus del sistema. Normalmente se las estructuras de interconexión en una computadora están basadas en el uso de uno o más buses del sistema.

44 Interconexión con busesEl bus esta constituido usualmente por entre cincuenta y cien líneas. Cada una de las líneas tiene un significado y función especial. Es posible clasificar estas líneas, Líneas de datos. Líneas de direcciones. Líneas de control. Pueden existir algunas líneas de alimentación.

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46 Interconexión con busesLíneas de datos (bus de datos), Camino para transmisión de datos entre módulos del sistema. Puede incluir 32 o más líneas  anchura del bus de datos. La anchura determina el número bits que se pueden transmitir al mismo tiempo. Si el bus tiene una anchura de 8 bits y las instrucciones son de 16 bits, el procesador accederá al módulo de memoria dos veces por cada ciclo de instrucción.

47 Interconexión con busesLíneas de dirección, Utilizadas para determinar la fuente o destino del dato situado en el bus de datos. La anchura del bus de direcciones determina la capacidad de memoria disponible del sistema. Se utilizan también para direccionar puertos de E/S.

48 Interconexión con busesLíneas de control, Utilizadas para controlar el acceso y el uso de las líneas de datos y de direcciones (debido a la compartición del bus por las unidades del sistema). Transmiten órdenes e información de temporización entre los módulos del sistema (las señales de temporización indican la validez de los datos y direcciones). Las señales de órdenes indican las operaciones a realizar.

49 Interconexión con busesLíneas de control típicas, Escritura/lectura en memoria. Escritura/lectura E/S. Transferencia reconocida. Petición de bus y asignación de bus (bus grant). Petición de interrupción. Interrupción reconocida. Reloj  sincronización de operaciones. Inicio (reset)  poner módulos en su edo. inicial.

50 Interconexión con busesSi un módulo requiere enviar un dato a otro módulo, Obtiene el bus. Transfiere el dato a través del bus. Si un módulo requiere pedir un dato a otro módulo, Transfiere la petición al otro módulo a través de las líneas de control y direcciones apropiadas. Después debe esperar a que el segundo módulo envíe el dato.

51 Interconexión con busesFísicamente el bus del sistema es un conjunto de conductores eléctricos paralelos. Líneas de metal grabadas en una tarjeta (circuito impreso. El bus se extiende a través de todos los componentes del sistema.

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