L3 1 Elementos constitutivos de un computador

Conceptos Básicos de un Procesador

Introducción a la Estructura de Computadores

• Se inicia el tema 3, que se centra en la estructura de computadores, comenzando con conceptos básicos y elementos constitutivos de un procesador.

• Se abordará el proceso de ejecución de instrucciones y cómo se implementan los procesadores en forma de procesadores integrados.

Programación y Memoria

• Habrá tres lecciones dedicadas a la programación a nivel de lenguaje ensamblador para un computador didáctico llamado Code 2.

• Se reflexionará sobre los distintos niveles de memoria en un ordenador, conocido como jerarquía de memoria, y se analizarán los elementos constitutivos de la memoria interna.

Niveles Conceptuales en el Análisis del Computador

Perspectivas Diferentes

• Se discutirán los niveles conceptuales para describir un computador, utilizando una analogía con automóviles para ilustrar diferentes perspectivas: del viajero al conductor y al mecánico.

• A medida que se desciende en niveles, aumenta la complejidad; mientras que al ascender, aumenta la abstracción. Un ocupante no necesita conocer detalles técnicos para usar el vehículo.

Complejidad del Computador

• El estudio y diseño de sistemas complejos como computadores puede realizarse sin necesidad de conocer todos los niveles inferiores.

• Los computadores son considerados sistemas extremadamente complejos con circuitos que contienen miles de millones de componentes.

Pirámide Conceptual del Computador

Niveles Conceptuales

• La pirámide conceptual incluye varios niveles: dispositivo electrónico (nivel inferior), lógica digital, micro máquina, máquina convencional, máquina operativa, máquina simbólica y usuarios (nivel superior).

Dispositivos Electrónicos

• El nivel inferior está constituido por componentes como transistores y resistencias; la información se representa mediante valores eléctricos (ej. tensiones).

Lógica Digital

• En este nivel se describen operaciones básicas mediante puertas lógicas que manipulan datos representables en códigos binarios (0 y 1).

Micro Máquina

Niveles de Abstracción en la Arquitectura del Computador

Componentes de Lógica Digital

• Se presentan esquemas de componentes para lógica digital, que son fundamentales en la construcción de sistemas a nivel micro.

• Los circuitos integrados son la forma común en que se construyen estos circuitos hoy en día.

Lenguaje Máquina y Ensamblador

• El lenguaje máquina es el único que entiende el procesador; su diseño parte de las instrucciones especificadas en este lenguaje.

• El lenguaje ensamblador utiliza terminología diferente pero corresponde directamente al lenguaje máquina, facilitando la comprensión.

Interfaz entre Hardware y Software

• El nivel de máquina operativa actúa como interfaz entre hardware y software, optimizando el uso del hardware para los usuarios.

• Ejemplos incluyen órdenes del sistema operativo Microsoft Windows, que pueden ser invocadas por usuarios o programas.

Programas de Aplicación y Abstracción

• En el nivel de máquina simbólica, los programadores interactúan con programas sin necesidad de conocer niveles inferiores.

• Un ejemplo es Excel, donde el usuario solo necesita saber cómo usar el programa sin entender los lenguajes más bajos.

Complejidad y Abstracción

• La complejidad aumenta al descender a niveles inferiores (hardware), mientras que la abstracción crece al ascender hacia niveles simbólicos (software).

• Los niveles inferiores corresponden a tecnología computacional, mientras que los superiores se relacionan con arquitectura y software.

Estructura del Computador

• Se introducen temas sobre unidades funcionales dentro del computador, comenzando desde el procesador hasta periféricos.

• Se revisarán las primitivas del nivel lógico digital y se estudiarán elementos constitutivos del procesador.

Unidades Funcionales

• El procesador (CPU), compuesto por unidad aritmética-lógica y unidad de control, es fundamental para las operaciones computacionales.

Conceptos Clave de Memoria y Registros en Computación

Elementos de Memoria: Beat Estable

• Un beat estable es un elemento de memoria que almacena información, representado comúnmente por un cuadrado con entrada, salida y señal de control. Internamente memoriza un valor (0), que se refleja en la salida.

• Cuando el beat estable tiene almacenado un 0 y recibe un 1 en la entrada, la salida no cambia hasta que la señal de control se active. Al activarse, el valor de entrada se memoriza.

• Si la entrada cambia a 10, el beat estable mantiene su valor almacenado (1) indefinidamente hasta que se active nuevamente la señal de control.

Registros: Estructura y Funcionamiento

• Un registro es una memoria temporal para almacenar datos individuales. Los registros pueden ser de diferentes tamaños (8, 16, 32, 64 o 128 bits), compuestos por vías estables conectadas en paralelo con una señal de control común.

• La carga de un registro implica transferir información desde otro registro. Por ejemplo, si RM carga su contenido al registro R7, esto se simboliza mediante flechas entre los registros.

• En los registros se memorizan valores binarios (ejemplo: 10100101). La salida coincide con los valores almacenados hasta que se activa la señal del reloj para actualizarlo.

Contadores: Secuencias y Control

• Un contador es un circuito cuya salida presenta una secuencia repetitiva al activarse una señal de control. Los contadores ascendentes siguen secuencias como 0 a 255 en binario.

• El incremento del contador puede representarse como PC = PC + 1; esto indica que el valor del contador aumenta en uno cada vez que se activa su señal correspondiente.

• Los contadores también pueden actuar como registros cargando valores paralelamente desde otros registros cuando las señales adecuadas son activadas.

Unidad Aritmético Lógica (ALU)

• La ALU realiza operaciones aritméticas y lógicas sobre dos entradas (A y B), produciendo resultados en una salida S. Las operaciones son determinadas por señales de control provenientes de la unidad de control.

• Por ejemplo, si las señales indican suma (001), al recibir datos A = 1000 y B = 0101, el resultado será S = 1101 tras activar la operación correspondiente.

Puertos de Entrada y Salida

• Los puertos de entrada son registros asociados a dispositivos periféricos como teclados o ratones; contienen datos entrantes junto con direcciones identificativas.

Estructura y Funcionamiento de la Memoria Interna

Organización de la Memoria Interna

• La memoria interna, también conocida como memoria central o principal, se organiza en palabras de información. Cada fila representa una palabra compuesta por 16 bits.

• Para acceder a cada palabra de memoria, se utiliza un bus de entrada que tiene tantas conexiones como bits tenga la palabra; en este caso, 16 líneas para un bus de datos.

Buses y su Función

• El bus de salida debe coincidir con el número de bits de cada palabra. Además, existe un bus de direcciones que determina la capacidad total en palabras (2^m).

• Las señales de control especifican cuándo leer o escribir en la memoria. La escritura implica transferir contenido del bus de entrada a una dirección específica.

Interconexión entre Unidades

• Los buses son conjuntos de caminos que transfieren información en paralelo entre las distintas unidades del computador.

• Existen buses serie (una sola línea) y buses paralelos (varias líneas). Estos pueden tener diversas formas físicas, como cables unidos por material aislante.

Tipos y Componentes del Bus

• En los circuitos impresos, los buses están formados por pistas conductoras grabadas sobre placas aislantes. Cada orificio en los conectores corresponde a una línea del bus.

• El bus del sistema está compuesto por tres tipos: bus de direcciones, bus de datos y bus de control. Estos permiten la comunicación entre el procesador, la memoria y los periféricos.

Funcionamiento del Procesador

• El procesador envía direcciones al bus correspondiente para acceder a posiciones específicas en la memoria o puertos.

• Todo el tráfico entre el procesador, la memoria y los periféricos ocurre a través del bus de datos; mientras que el bus de control lleva señales generadas por la unidad correspondiente.

Elementos Internos del Procesador

• Los circuitos integrados tienen pines eléctricos que corresponden a líneas del bus. Estos pines permiten interconectar con otros elementos dentro del sistema.

• Los microprocesadores se instalan en zócalos soldados dentro de las placas impresas para asegurar su conexión con otras unidades.

Ejecución e Instrucciones

• En lecciones futuras se explorará cómo se ejecutan instrucciones y cómo cambiar el orden secuencial durante un programa.

Estructura y Funcionamiento de la Unidad Aritmético-Lógica

Registro Temporal y Operaciones Lógicas

• La unidad aritmético-lógica (ALU) opera con datos provenientes del banco de registros y un registro temporal, almacenando los resultados en uno de los registros del banco.

• Se utilizan indicadores de condición, conocidos como "flags", que almacenan información sobre el resultado de las operaciones realizadas en la ALU.

Indicadores Estables

• Existen varios bits estables:

• Bit de acarreo: se activa cuando hay un acarreo en la operación.

• Indicador de signo: se activa si el resultado es negativo.

• Indicador de cero: se activa si el resultado es cero.

• Bit de desbordamiento: se activa si ocurre un desbordamiento durante la operación.

Registros Clave en el Procesador

• El registro de dirección proporciona al procesador las direcciones necesarias para acceder a memoria o puertos I/O.

• El registro de datos (R) intercambia información entre el procesador y otros componentes, facilitando tanto entradas como salidas.

Elementos Fundamentales de la Unidad de Control

• La lógica de control genera señales que monitorizan el funcionamiento del computador, enviándolas a otros elementos del procesador y hacia dispositivos externos.

• Un reloj sincroniza todas las operaciones elementales del computador; su frecuencia influye en la velocidad del procesador.

Ejecución y Gestión de Instrucciones

• El registro instrucción almacena la instrucción actual que está ejecutándose. Las instrucciones son cargadas desde la memoria principal una por una.

• El contador del programa (PC) mantiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar, mientras que el puntero de pila (SP) gestiona llamadas a rutinas.

Resumen y Conclusiones

• Se ha analizado cómo un computador es un sistema complejo que requiere un modelo conceptual para su estudio.