ARQUITECTURA DE COMPUTADORES

Adaptación y mejoras: Vladimir Montaño

ENTRADA

Ingreso de Datos

Dispositivos de Entrada

PROCESO

Trabajo de la CPU

Unidad Central de Proceso

SALIDA

Entrega de Resultados

Dispositivos de Salida

CÓMO FUNCIONA UN PC ? (1)

CÓMO FUNCIONA UN PC ? (2)

DEFINICIONES

• Se puede definir la arquitectura de computadores como el estudio de la estructura, funcionamiento y diseño de computadores. Esto incluye, sobre todo a aspectos de hardware, pero también afecta a cuestiones de software de bajo nivel.

• Computador, dispositivo electrónico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando cálculos sobre los datos numéricos, o bien compilando y correlacionando otros tipos de información.

RESEÑA HISTÓRICA

La era mecánica de los computadores

• Podríamos decir que las máquinas mecánicas de calcular constituyeron la "era arcaica" o generación 0 de los computadores.

• Una evolución de estas máquinas son las máquinas registradoras mecánicas que aún existen en la actualidad.

La era electrónica de los computadores

• Los computadores envasados en elementos mecánicos planteaban ciertos problemas:

– La velocidad de trabajo está limitada a inercia de las partes móviles.– La transmisión de la información por medios mecánicos (engranajes,

palancas, etcétera.) es poco fiable y difícilmente manejable.

Generación de Computadores • 1ª generación: (1946-1955) Computadores basados en

válvula de vacío que se programaron en lenguaje máquina o en lenguaje ensamblados.

• 2ª generación: (1953-1964) Computadores de transistores. Evolucionan los modos de direccionamiento y surgen los lenguajes de alto nivel.

• 3ª generación: (1964-1974) Computadores basados en circuitos integrados y con la posibilidad de trabajar en tiempo compartido.

• 4ª generación: (1974- ) Computadores Que integran toda la CPU en un solo circuito integrado (microprocesadores). Comienzan a proliferar las redes de computadores.

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

• Funciones que realiza

• La Unidad central de proceso o CPU, se puede definir como un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los computadores. Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos.

El microprocesador de la CPU está formado por una unidad aritmético-lógica que realiza cálculos y comparaciones, y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole); por una serie de registros donde se almacena información temporalmente, y por una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones.

BUSES DE DATOS

• Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus.

Elementos que la componen

• Unidad de control: controla el funcionamiento de la CPU y por tanto del computador.

• Unidad aritmético-lógica (ALU): encargada de llevar a cabo las funciones de procesamiento de datos del computador.

• Registros: proporcionan almacenamiento interno a la CPU.

• Interconexiones CPU: Son mecanismos que proporcionan comunicación entre la unidad de control, la ALU y los registros.

Periféricos

De

Entrada

MemoriaPrincipal

Unidad de Control

UnidadAritmética

Periféricos

De

Salida

CPU

Unidad Central de Proceso

Tipos • Básicamente nos encontramos con dos tipos de

diseño de los microprocesadores: RISC (Reduced-Instruction-Set Computing) y CISC (complex-instruction-set computing).

• Los microprocesadores RISC se basan en la idea de que la mayoría de las instrucciones para realizar procesos en el computador son relativamente simples por lo que se minimiza el número de instrucciones y su complejidad a la hora de diseñar la CPU.

• Los microprocesadores CISC, al contrario, tienen una gran cantidad de instrucciones y por tanto son muy rápidos procesando código complejo.

PROCESADOR

El procesador del sistema es el cerebro del PC, el cual permite distribuir y controlar cualquier operación desde el momento del arranque hasta que apagamos el equipo. Según esto es lógico pensar que cuanto más rápido trabaje el procesador, más rápido podrá terminar todas las tareas; esto se traduce en mayor agilidad en el arranque del PC, de los programas.

• Si bien, de todos es sabido que el procesador es muy importante para aumentar la velocidad, pero el resto de componentes deben ser los más adecuados ya que de lo contrario el procesador no podrá trabajar a máximo rendimiento por culpa del resto de componentes.

Unidades de medida de velocidad

• La velocidad de un procesador se mide en Megahertz y, mientras mayor es el número de megahertz con que trabaja el computador, tiene mayor velocidad de proceso. En realidad, los megahertz indican la velocidad del reloj interno que posee todo microprocesador. Este establece el número de pulsos que se efectúan en cada segundo. Cuanto mayor sea el número de pulsos, mayor será la velocidad del microprocesador.

Los primeros computadores personales compatibles (PC) poseían microprocesadores 8088 y 8086. Estos son prácticamente idénticos y poseen una velocidad desde 4,77 Mhz a 10 Mhz. Hoy en día ya no se fabrican. Estos fueron reemplazados por los microprocesadores 286, que poseen velocidades de entre 8 y 16 Mhz. Actualmente también han dejado de fabricarse.

El microprocesador 386 (también conocido como 386 DX) tiene una velocidad desde 16 a 50 Mhz. El microprocesador 386 supone un paso muy importante frente al 286. Hasta entonces, tanto los micros 8088, 8086 como el 286 eran microprocesadores de 16 bits: trabajaban con 16 bits a la vez en cada pulso de reloj. Por el contrario, el 386 es ya un microprocesador de 32 bits, que procesa 32 bits simultáneamente en cada ciclo de reloj.

El microprocesador 486 (o 486 DX) también es un microprocesador de 32 bits. La principal innovación del 486 frente al 386, aparte de varias características que optimizan su velocidad, es la incorporación en el propio micro de un coprocesador matemático (un coprocesador matemático es un chip especial que tiene que funcionar junto al microprocesador central y que se encarga de realizar a alta velocidad las operaciones matemáticas, descargando de trabajo al microprocesador central).

Con el nombre de Pentium se conoce a la quinta generación de los microprocesadores Intel, el que tendría que haberse denominado 586. La elección de este cambio de nombre se debe solamente a una razón de marketing. El microprocesador Pentium posee un diseño avanzado, integrando más de 3 millones de transistores (piense que el 8086 sólo tenía 28.000 transistores).

 

• Además, soporta características RISC similares a la de los microprocesadores utilizados en los grandes computadores y, al igual que el 486 DX, incluye un coprocesador matemático. Actualmente están disponibles en el mercado procesadores con velocidades superiores a los 300 Mhz.

Modelo Velocidad      

386 16-50Mhz

486 33-100Mhz

Pentium 66 - 200Mhz

Pentium MMX 200 - 350Mhz

Celeron 233 -350Mhz

Pentium II 233 - 450Mhz

K6 350 -450Mhz

Pentium III 450 -700Mhz

K7 450 -700Mhz

 

Tipos de micros y fabricantes

Microprocesadores hay muchos, pero tan solo 2 marcas en el mercado son las más conocidas y se alzan como competidoras muy serias.Hace algunos años Intel estaba a la cabeza tanto de fabricación como de ventas y distribución, pero un cambio en el mercado con una fuerte aparición de AMD ha establecido un nuevo estándar en las configuraciones de los equipos de venta directa.

Tipos de conexión a las placas base• Para poder actualizar correctamente

el microprocesador de nuestra placa base, lo primero que tenemos que saber es qué tipo de conexión admite nuestra placa, para así buscar el procesador más adecuado. Podemos resumir mucho diciendo que existen 2 tipos de conectores.

• SOCKET. Este tipo de conectores se basan en lo que se llama zócalo ZIF, es decir, "Zero Insertion Force" ó "Fuerza de Inserción Cero", donde los procesadores pueden instalarse sin efectuar ninguna presión sobre ellos, facilitando mucho las cosas y sobre todo minimizando los riesgos.

• SLOT. Los microprocesadores se instalan como si de un cartucho se tratara, tal como los de juegos de consola o similar.

Slot para Pentium II,III y Xeon

Socket 462 para Athlon de AMD

DESDE PENTIUM II HASTA i7

Arquitectura de Von Neumann

La CPU de von Neumann

ArithmeticLogic

Circuits

AC

Control Circuits

PC IRAR

DR

MainMemory

C0

C1

C2

C12

Flags

...Devices

ALU:

ArithmeticLogicUnit

ControlUnit

Registros del

Procesador

Bus decontrol

Bus dedirecciones

Bus dedatos

Unidad de capacidad de almacenamiento

Dispositivos de almacenamientoDisco duroLos discos duros tienen una gran capacidad de almacenamiento de información, pero al estar alojados normalmente dentro de la computadora (discos internos), no son extraíbles fácilmente. Para intercambiar información con otros equipos (si no están conectados en red) se tienen que utilizar unidades de disco, como los  discos ópticos (CD, DVD), los discos magneto-ópticos, memorias USB o las memorias flash, entre otros. Dicha unidad puede ser interna (fija) o externa (portátil), dependiendo del lugar que ocupe en el gabinete o caja de computadora.

Disco duroLos discos duros tienen una gran capacidad de almacenamiento de información, pero al estar alojados normalmente dentro de la computadora (discos internos), no son extraíbles fácilmente. Para intercambiar información con otros equipos (si no están conectados en red) se tienen que utilizar unidades de disco, como los  discos ópticos (CD, DVD), los discos magneto-ópticos, memorias USB o las memorias flash, entre otros. Dicha unidad puede ser interna (fija) o externa (portátil), dependiendo del lugar que ocupe en el gabinete o caja de computadora.

Un disco duro está formado por varios discos apilados sobre los que se mueve una pequeña cabeza magnética que graba y lee la información.Va conectado a la fuente de alimentación, pues, como cualquier otro componente, necesita energía para funcionar.Además, una sola placa puede tener varios discos duros conectados.Las características principales de un disco duro son:•Capacidad: Se mide en gigabytes (GB). Es el espacio disponible para almacenar secuencias de 1 byte. La capacidad aumenta constantemente desde cientos de MB, decenas de GB, cientos de GB y hasta TB.•Velocidad de giro: Se mide en revoluciones por minuto (RPM). Cuanto más rápido gire el disco, más rápido podrá acceder a la información la cabeza lectora. Los discos actuales giran desde las 4.200 a 15.000 RPM, dependiendo del tipo de ordenador al que estén destinadas.•Capacidad de transmisión de datos: De poco servirá un disco duro de gran capacidad si transmite los datos lentamente. Los discos actuales pueden alcanzar transferencias de datos de 3 GB por segundo.

Dispositivos de almacenamiento

Unidad de CD-ROM o "lectora“ CD-ROM.La unidad de CD-ROM permite utilizar discos ópticos de una mayor capacidad que los disquetes de 3,5 pulgadas: hasta 700 MB.

Una característica básica de las unidades de CD-ROM es la velocidad de lectura, que normalmente se expresa como un número seguido de una «x» (40x, 52x,..). Este número indica la velocidad de lectura en múltiplos de 128 kB/s. Así, una unidad de 52x lee información de 128 kB/s × 52 = 6,656 kB/s, es decir, a 6,5 MB/s.

Dispositivos de almacenamiento

Unidad de CD-RW (regrabadora) o "grabadora“

Puede grabar y regrabar discos compactos. Las características básicas de estas unidades son la velocidad de lectura, de grabación y de regrabación. En los discos regrabables es normalmente menor que en los discos que sólo pueden ser grabados una vez.

Trabajan a 8X, 16X, 20X, 24X, etc., permiten grabar los 650, 700 o más megabytes (hasta 900 MB) de un disco compacto en unos pocos minutos. Es habitual observar tres datos de velocidad, según la expresión ax bx cx (a:velocidad de lectura; b: velocidad de grabación; c: velocidad de regrabación).

Dispositivos de almacenamiento

Unidad de DVD-ROM o "lectora de DVD"Pueden leer tanto discos DVD-ROM como CD-ROM. Se diferencian de las unidades lectoras de CD-ROM en que el soporte empleado tiene hasta 17 GB de capacidad, y en la velocidad de lectura de los datos. La velocidad se expresa con otro número de la «x»: 12x, 16x... Pero ahora la x hace referencia a 1,32 MB/s. Así: 16x = 21,12 MB/s.

La diferencia más destacable es que las unidades lectoras de discos DVD-ROM también pueden disponer de una salida de audio digital. Gracias a esta conexión es posible leer películas en formato DVD y escuchar seis canales de audio separados si disponemos de una buena tarjeta de sonido y un juego de altavoces apropiado (subwoofer más cinco satélites).

Dispositivos de almacenamiento

Unidad de DVD-RW o "grabadora de DVD“Puede leer y grabar y regrabar imágenes, sonido y datos en discos de varios gigabytes de capacidad, de una capacidad de 650 MB a 9 GB.Unidad de disco magneto-ópticoLa unidad de discos magneto-ópticos permiten el proceso de lectura y escritura de dichos discos con tecnología híbrida de los disquetes y los discos ópticos, aunque en entornos domésticos fueron menos usadas que las disqueteras y las unidades de CD-ROM, pero tienen algunas ventajas en cuanto a los disquetes:•Por una parte, admiten discos de gran capacidad: 230 MB, 640 Mb o 1,3 GB.•Además, son discos reescribibles, por lo que es interesante emplearlos, por ejemplo, para realizar copias de seguridad.

Dispositivos de almacenamiento

Lector de tarjetas de memoria

Es un periférico que lee o escribe en soportes de memoria flash. Actualmente, los instalados en computadores (incluidos en una placa o mediante puerto USB), marcos digitales, lectores de DVD y otros dispositivos, suelen leer varios tipos de tarjetas.

Una tarjeta de memoria es un pequeño soporte de almacenamiento que utiliza memoria USB para guardar la información que puede requerir o no baterías (pilas), en los últimos modelos la batería no es requerida, la batería era utilizada por los primeros modelos.

Dispositivos de almacenamiento

Otros dispositivos de almacenamiento son:

• Memorias flash

• Tape backups

• La nube

Dispositivos de almacenamiento

Parámetros de los D.D

Tipo de disco: Indica la tecnología y estructura física del mismo. Cabezas fijas, paquetes de discos, cartuchos de discos, discos Winchester y disquetes.Capacidad: Indica el contenido en octetos (bytes) que es capaz dealmacenar el disco. Tamaño: Indica el diámetro del plato donde se encuentran las superficies magnetizables.Tiempo medio de acceso: Es el tiempo medio en que la cabeza lectora/grabadora tarda en acceder a un sector determinado.Velocidad de transferencia: Indica el número de bytes que se transfieren por unidad de tiempo entre la ordenador central y el dispositivo o viceversa.Velocidad de rotación: Es el número de revoluciones por minuto a que gira el plato que contiene la superficie magnetizable.Número de superficies: Es el número de superficies grabables.Número de cabezas: Es el número de cabezas lectoras/grabadoras de que consta la unidad.Número de pistas: Es el número de circunferencias gravables. Se suele indicar el número de pistas por superficie.Número de sectores por pistas: Es el número de bloques o registros físicos que hay en una pista.Número de palabras por sector: Es el número de palabras que pueden grabarse en un sector.Bits por palabras: Indica el número de bits que utilizan las palabras grabadas.Densidad máxima: Indica la densidad máxima de grabación en las pistas. Este parámetro se indica en bits/pulgada o bits/cm.Código de grabación: Es el código usado para la grabación magnética de la información. Simple o doble densidad.

TIPOS DE MEMORIA

• CPU (Central Process Unit)– Unidad de procesamiento central– Cerebro

• Memoria ROM– Instintos

• Memoria RAM– Información que se maneja en el

momento

• Memoria secundaria– Discos magnéticos y ópticos, cintas– Información que se busca en elementos

adicionales

CPU

Memoria RAM

Memoria Secundaria

Disp. Entrada (mirar, escuchar)

Disp. Salida hablar)

Almacenamiento (Memoria)

• Unidades de memoria– 1 bit (puede tomar valores: 1 ó 0 - binarios)– 1 byte : 8 bits– 1 kilobyte (Kb) : 210 bytes– 1 megabyte (Mb) : 210 kilobytes: 220 bytes– 1 gigabyte (Gb) : 210 megabytes: 230 bytes– 1 terabyte : 210 gigabytes: 240 bytes

Almacenamiento (Memoria)– Memoria RAM (random access memory)

• Permite al computador almacenar información que la CPU está accesando frecuentemente y necesita para operar

• Por ejemplo, información de un programa, instrucciones, datos, etc.

– Memoria ROM (read only memory)

• Contiene la información preinstalada, la cual es imposible modificar o borrar por completo

• Es la información que indica los procesos básicos que debe ejecutar el computador (antes de ejecutar cualquier programa)

– Caché

• es una unidad pequeña de memoria ultrarrápida en la que se almacena información a la que se ha accedido recientemente o a la que se accede con frecuencia, lo que evita que el microprocesador tenga que recuperar esta información de circuitos de memoria más lentos.

Periféricos de entrada• Periférico de entrada• Un dispositivo de entrada o periférico de

entrada es cualquier periférico (pieza del equipamiento del hardware de computadora) utilizado para proporcionar datos y señales de control a un sistema de procesamiento de información (por ejemplo, un equipo). Los periféricos de entrada y salida componen la interfaz de hardware entre un equipo como unescáner o controlador 6DOF.

• Clasificación• Muchos periféricos de entrada se pueden

clasificar de acuerdo a:• Modalidad de entrada (por ejemplo, el

movimiento mecánico, sonoro, visual, etc).• Si la entrada es discreta (por ejemplo,

pulsaciones de teclas) o continua (por ejemplo, una posición, aunque digitalizados en una cantidad discreta, es lo suficientemente rápido como para ser considerado continuo).

Periféricos de entrada

• El grado de libertad que se trate (por ejemplo, los ratones tradicionales en dos dimensiones, o los navegantes tridimensionales para aplicaciones CAD)

• Los dispositivos de señalamiento, que son dispositivos de entrada usados para especificar una posición en el espacio, además se pueden clasificar de acuerdo a:

• Si la entrada es directa o indirecta. Con la entrada directa, el espacio de entrada coincide con el espacio de exhibición, es decir, señalando que se hace en el espacio donde la retroalimentación visual o el cursor aparece.

Periféricos de entrada

• Las Pantallas táctiles y los lápices ópticos cuentan con la aportación directa. Ejemplos de participación indirecta de entrada incluyen el ratón y el trackball.

• Si la información de posición es absoluta (por ejemplo, en una pantalla táctil) o familiar (por ejemplo con un ratón que se puede levantar y reposicionar)

• Tenga en cuenta que la entrada directa es casi necesariamente favorable, pero de entrada indirecta puede ser absoluta o relativa.

Periféricos de entrada

Dispositivos de salida

• Monitor– VGA, SVGA, UVGA, CGA

• Impresora– Láser, inyección de tinta, matriz de puntos

• Modem• Parlantes

Arquitectura de un computador

• Como hemos visto, la arquitectura general de un computador consta básicamente de 3 partes:– CPU– Memoria– Dispositivos de entrada/salida

• Esta arquitectura fue propuesta por John Von Neumann en 1945, y hoy en día la mayoría de los computadores están basados en ella