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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación
Universidad de Carabobo
Facultad Experimental de Ciencia y Tecnología
Departamento de Computación
Diseño Digital y Organización del Computador
Organización Básica del Computador
Valencia, 07-01-13
Realizado Por:
Contreras Eulises
Jiménez Jesús
Mora Jorge
Perdomo Kristopher
Villegas Víctor
Viloria Marialejandra
Presentado a:
Prof. Delgado Desiree
Organización del Computador
Hoy en día la estructura básica de la mayoría de las computadoras está constituida
lógicamente por tres grandes bloques:
Unidad Central de Procesos (CPU).
Memoria Principal.
Sistemas de Entrada/Salida (E/S).
Todos estos conectados por los llamados Buses de Direcciones, Datos y Control.
Diagrama Básico de un CPU (Maquina de Von Neumann)
A continuación se explican cada una de las partes previamente mencionadas:
Unidad Central de Procesos:
Llamado también Central Process Unit (CPU) en inglés o simplemente Procesador es
el cerebro del computador, su función principal es cumplir órdenes. Estas órdenes son
entregadas en un lenguaje especial para cada procesador: Lenguaje de máquina. Las
palabras del lenguaje de máquina se denominan instrucciones, y el vocabulario es llamado
conjunto de instrucciones. La CPU al recibir instrucciones, las decodifica expresándolas en
lenguaje de máquina y luego las procesa.
La CPU a su vez se divide en:
Unidad de Control: Esta unidad es la encargada de buscar las instrucciones en
la memoria principal para luego decodificaras y enviarlas a la unidad aritmético
lógica.
Unidad Aritmético Lógica: La unidad aritmético lógica, también conocida
como ALU (Arithmetic Logic Unit), es donde ocurre el procesamiento real de
los datos. En ella se realizan todos los cálculos y comparaciones para generar
los resultados.
En sí, La Unidad Aritmético-Lógica realiza los diferentes cálculos
matemáticos y lógicos necesarios para la operatividad de la computadora;
recordando de circuitos, que todo el funcionamiento del sistema de una
computadora se realiza sobre la base de una serie de operaciones matemáticas
en código binario.
Cuando la unidad de control encuentra una instrucción de aritmética o de
lógica, le envía el trabajo a la unidad aritmético lógica. Es decir que la unidad
aritmético lógica es la que hace el trabajo pesado en el procesamiento de datos
mientras la unidad de control lo que hace es poner orden a los procesos.
La ALU está constituida por:
- Circuito operacional: Es el conjunto de compuertas básicas
organizadas en diferentes arreglos para llevar a cabo las
operaciones con los datos.
- Registros de entrada: Guardan los datos que necesitan una
instrucción para ser efectuada.
- Registro Acumulador: Guarda temporalmente los resultados
aritméticos y lógicos intermedios de las operaciones realizadas por
el circuito operacional.
- Registros de estado: Grupo de biestables que guardan condiciones
de la última operación que pueda afectar a operaciones posteriores.
Memoria Principal:
Comprendiendo a la memoria como el espacio lógico en el cual se almacenan datos, la
Memoria Principal es aquella que es usada directamente por el Procesador. Según el fin con
el que se usan los datos que almacenan, se dividen en: Registro, Caché y memorias RAM y
ROM. Todas estas cumplen con la jerarquía mostrada en el siguiente diagrama:
Jerarquía de la memoria principal.
A medida que se desciende en la pirámide la memoria se hace más grande y de menor
costo pero disminuye la velocidad en que accede por lo que baja su posición en el orden
jerárquico en que se busca la información.
A continuación se explican todos estos tipos de memoria principal:
Registros
Caché
RAM
Registros:
Los registros son un medio de ayuda a las operaciones realizadas tanto por
la unidad de control como por la unidad aritmético lógica, los cuales permiten
almacenar información temporalmente para facilitar la manipulación de los
datos por parte de la CPU.
La CPU aparte de poseer los registros especializados con que cuenta la
unidad de control y la unidad aritmético lógica (denominados “registros de
propósito específico”). También posee unos registros llamados “registros de
propósito general” que son aquellos sobre los que no existe restricción en
cuanto a su utilización y pueden ser usados como fuente o destino de datos,
como contador, como punteros de localidades de memoria o de elementos de
E/S.
Los registros están en la cumbre de la jerarquía de memoria en la
organización del computador, y son la manera más rápida que tiene el sistema
de almacenar datos. Ya que estos se encuentran dentro de la misma CPU.
Memoria Caché:
La memoria caché es un tipo de memoria más rápida, aunque de menor
capacidad, que la memoria RAM por lo que es usada como intermediario entre
esta y el Procesador. En esta se realizan copias de la información en la memoria
RAM para que al necesitarse se acceda a esta más rápidamente que si estuviera
en la RAM. A esta Caché especifica se le conoce como SRAM o RAM Caché,
hay otro tipo de caché ubicada en el disco duro más rápida que el resto del disco
en la cual se almacena la información usada más recientemente.
Memoria RAM:
Random-Acces Memory, Memoria de Acceso Aleatorio o simplemente
Memoria Principal, es la memoria en la que se almacena toda la información
con la que se está trabajando en el momento. Se caracteriza por ser volátil, una
vez que se corta el flujo de corriente toda la información contenida allí se
pierde.
Memoria ROM:
Read-Only Memory o Memoria ROM, es un tipo de memoria que no puede
ser modificada, contiene información que no necesita ser modificada como por
ejemplo:
- Firmware: Es el software que controla el funcionamiento de un
Hardware especifico.
- BIOS: Contiene la información que el computador necesita para
poner en funcionamiento al sistema en el momento de encenderse.
Memoria Secundaria:
La memoria secundaria requiere que la computadora use sus canales
de entrada/salida para acceder a la información y se utiliza para almacenamiento a largo
plazo de información persistente. Sin embargo, la mayoría de los sistemas operativos usan
los dispositivos de almacenamiento secundario como área de intercambio para incrementar
artificialmente la cantidad aparente de memoria principal en la computadora.(A esta
utilización del almacenamiento secundario se le denomina memoria virtual). La memoria
secundaria también se llama "de almacenamiento masivo". Un disco duro es un ejemplo de
almacenamiento secundario.
Habitualmente, la memoria secundaria o de almacenamiento masivo tiene mayor
capacidad que la memoria primaria, pero es mucho más lenta. En las computadoras
modernas, los discos duros suelen usarse como dispositivos de almacenamiento masivo. El
tiempo necesario para acceder a un byte de información dado almacenado en un disco duro
de platos magnéticos es de unas milésimas de segundo (milisegundos). En cambio, el
tiempo para acceder al mismo tipo de información en una memoria de acceso
aleatorio (RAM) se mide en mil-millonésimas de segundo (nanosegundos).
Esto ilustra cuan significativa es la diferencia entre la velocidad de las memorias de
estado sólido y la velocidad de los dispositivos rotantes de almacenamiento magnético u
óptico: los discos duros son del orden de un millón de veces más lentos que la memoria
(primaria). Los dispositivos rotantes de almacenamiento óptico (unidades de CD y DVD)
son incluso más lentos que los discos duros, aunque es probable que su velocidad de acceso
mejore con los avances tecnológicos.
Por lo tanto, el uso de la memoria virtual, que es cerca de un millón de veces más lenta
que memoria “verdadera”, ralentiza apreciablemente el funcionamiento de cualquier
computadora. Muchos sistemas operativos implementan la memoria virtual usando
términos como memoria virtual o "fichero de caché". La principal ventaja histórica de la
memoria virtual es el precio; la memoria virtual resultaba mucho más barata que la
memoria real. Esa ventaja es menos relevante hoy en día. Aun así, muchos sistemas
operativos siguen implementándola, a pesar de provocar un funcionamiento
significativamente más lento.
RPM del disco duro
Un disco duro es un dispositivo en una computadora el cual almacena datos digitales
en un disco rotante cargado magnéticamente llamado plato, ensamblado en un pequeño
disco metálico.
El término RPM significa rotaciones por minuto, el cual indica cuántas veces el plato
en un disco duro puede completar una rotación de 360 grados cada minuto. Debido a que
los disco duros deben girar con el fin de acceder y transferir datos, un disco duro de alto
RPM será capaz de acceder y transferir datos más rápido. Durante el proceso, la alta RPM
se asentúa cuando se ejecutan nuevos programas que forzan a la computadora acceder al
disco duro. La RPM de un disco duro tendrá menos impacto en la velocidad de una
computadora corriendo un programa que ya fue ejecutado, debido a que los datos
necesarios serán almacenados en la RAM de la computadora para un acceso rápido.
RPM más alto equivale a más uso de energía
En general, RPM más alto significa desempeño superior del disco duro,pero tiene
además un par de desventajas. Con el fin de lograr elevada rapidéz de rotación, el disco
duro debe extraer más poder para vencer la resistencia contra viento incrementada. Esto
significa que RPM más elevada hará que el suministro de energía se esfuerce más de lo
regular, esfuerzo que puede seguir incrementando cuando diversas unidades de alta RPM
son instaladas en una computadora. Los disco duros promedios rotan a 5.400 ó 7.200 RPM.
Disco duros de alta velocidad pueden rotar a 10.000 ó 15.000 RPM, los cuales crean tanta
resistencia contra el viento que la capacidad de memoria del disco están comprometidas a
menudo a la reducción del diámetro del plato con el fin de crear una unidad efectiva y que
no extraiga demasiado poder. Por lo tanto, unidades con elevada RPM pueden no ser
económicas como dispositivos de almacenamiento masivo.
Dispositivos de entrada/salida(E/S):
Estos dispositivos son los que transfieren datos a la memoria principal con los que
luego la CPU trabaja, son con los cuales los usuarios se mantienen en contacto con el
computador.
Para diferenciar los dispositivos tenemos dos enfoques posibles, el primero de ellos se
centra en el modo de almacenar la información (clasificando los dispositivos como de
bloque o de carácter)1 y el segundo enfoque se centra en el destinatario de la comunicación
(usuario, maquina, comunicadores)2
Un dispositivo de bloque almacena la información en bloques de tamaño fijo. Al ser el
bloque la unidad básica de almacenamiento, todas las escrituras o lecturas se realizan
mediante múltiplos de un bloque. Es decir escribe 3 o 4 bloques, pero nunca 3,5 bloques. El
tamaño de los bloques suele variar entre 512 Bytes hasta 32.768 Bytes. Un disco duro
entraría dentro de esta definición. A diferencia de un dispositivo de bloque un dispositivo
de carácter, no maneja bloques fijo de información sino que envía o recibe un flujo de
caracteres. Dentro de esta clase podemos encontrar impresoras o interfaces de red.1
Entre cada categoria y dispositivo, hay grandes diferencias:2
Velocidad de transferencia de datos: varios órdenes de magnitud para transferir pero
el hacer esto tienes que hacerlo con mucho cuidado
, según las necesidades de cada dispositivo
Aplicación: la funcionalidad para la que esta diseñado un dispositivo tiene influencia
sobre el software por ende lo tendrá sobre el sistema operativo.
Complejidad de control: cada dispositivo tiene una complejidad asociada, no es lo
mismo controlar un ratón que gestionar un disco duro.
Unidad de transferencia: datos transferidos como un flujo de bytes/caracteres o en
bloques de tamaño fijo
Representación de datos: cada dispositivo puede usar su propia codificación de datos
Condiciones de error: el porqué del error, su manera de notificarlo así como sus
consecuencias difiere ampliamente entre los dispositivos
Buses:
En arquitectura de computadores, el bus es un sistema digital que transfiere datos entre
los componentes de una computadora o entre computadoras. Está formado por cables o
pistas en un circuito impreso, dispositivos como resistencias y condensadores además de
circuitos integrados.
La función del MICROBus es la de permitir la conexión lógica entre distintos
subsistemas de un sistema digital, enviando datos entre dispositivos de distintos órdenes:
desde dentro de los mismos circuitos integrados, hasta equipos digitales completos que
forman parte de supercomputadoras.
Primera Generación:
Los primeros computadores tenían 2 sistemas de buses, uno para la memoria y otro
para los demás dispositivos. La CPU tenía que acceder a dos sistemas con instrucciones
para cada uno, protocolos y sincronizaciones diferentes.
Segunda Generación:
El hecho de que el bus fuera pasivo y que usara la CPU como control, representaba
varios problemas para la ampliación y modernización de cualquier sistema con esa
arquitectura. Además que la CPU utilizaba una parte considerable de su potencia en
controlar el bus. Desde que los procesadores empezaron a funcionar con frecuencias más
altas, se hizo necesario jerarquizar los buses de acuerdo a su frecuencia: se creó el concepto
de bus de sistema (conexión entre el procesador y la RAM) y de buses de expansión,
haciendo necesario el uso de un chipset.
Tercera Generación:
Los buses de tercera generación se caracterizan por tener conexiones punto a punto, a
diferencia de los buses arriba nombrados en los que se comparten señales de reloj. Esto se
logra reduciendo fuertemente el número de conexiones que presenta cada dispositivo
usando interfaces seriales.
Bus Paralelo:
Es un bus en el cual los datos son enviados por bytes al mismo tiempo, con la ayuda de
varias líneas que tienen funciones fijas. La cantidad de datos enviada es bastante grande
con una frecuencia moderada y es igual al ancho de los datos por la frecuencia de
funcionamiento. Ha sido usado de manera intensiva, desde el bus del procesador, los buses
de discos duros, tarjetas de expansión y de vídeo, hasta las impresoras.
Bus Serie:
En este los datos son enviados, bit a bit y se reconstruyen por medio de registros o
rutinas de software. Está formado por pocos conductores y su ancho de banda depende de la
frecuencia. Es usado desde hace menos de 10 años en buses para discos duros, unidades de
estado sólido, tarjetas de expansión y para el bus del procesador.
Tarjeta Madre
La Tarjeta Madre, Placa Madre o Placa Base, es la que conecta todos los elementos
mencionados hasta ahora, en la que todos estos están conectados. Todo esto a través de
buses incrustados en la placa. Sin ella el procesador no pudiera tener contacto con la
memoria ni con los dispositivos E/S.
