Arquitectura de un computador


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1 Arquitectura de un computador Servidores de Información Multimedia 2º Ingeniero de Telecomunicación (Esp. Sonido e Imagen) Departamento de Ingeniería Telemática Universidad Carlos III de Madrid 2 Índice de este tema Introducción Historia de los ordenadores Introducción a las arquitecturas HW de un ordenador: la máquina de Von Neumann Arquitecturas HW modernas

2 3 Introducción al tema 4 Qué es un ordenador o computador? Según la RAE: Máquina electrónica, analógica o digital, dotada de una memoria de gran capacidad y de métodos de tratamiento de información, capaz de resolver problemas matemáticos y lógicos mediante la utilización automática de programas informáticos. Según Stallings Máquina digital electrónica programable para el tratamiento automático de la información, capaz de recibirla, operar sobre ella mediante procesos determinados y suministrar los resultados de tales operaciones. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance William Stallings ISBN: Publisher: Prentice Hall

3 5 Estructura (HW) a vista de pájaro 6 Conceptos Un computador digital es una máquina que puede resolver problemas ejecutando ciertas instrucciones. Un programa es una secuencia de instrucciones. Los circuitos electrónicos de cada computadora reconocen un conjunto limitado de instrucciones muy simples. Lenguaje máquina es el conjunto de instrucciones básicas de una computadora. Utilizar lenguaje máquina es difícil y tedioso. Solución: sea L1 el lenguaje máquina y L2 un lenguaje más fácil de utilizar programa en L2 compilación (compilador) interpretación (intérprete) programa en L1

4 7 HW y SW APLICACIONES SISTEMA OPERATIVO HW: CPU, RAM, I/O APLICACIONES S.O. (ii) S.O. (i) HW: CPU, RAM, I/O (i) Gestión de tareas, gestión de memoria, drivers de dispositivos de I/O (ii) Sistema de ficheros, interpretes de comandos, interfaces de usuario, APIs de programación En este tema nos centraremos en el HW. En el resto de la asignatura veremos el SW 8 Historia

5 9 Historia Algunas generaciones y sus tecnologías: hasta 1945: Sistemas mecánicos y electro-mecánicos : Tubos al vacío, tableros : Transistores y sistemas por lotes : Circuitos integrados y multiprogramación desde 1980: Computadores personales Difference Engine (1822) ENIAC (1946) 10 IBM 704 (1955) Primera máquina comercial con hardware de punto flotante (5kFLOPS).

6 11 Los compiladores Permiten escribir programas en lenguaje de alto nivel y traducir estos a las operaciones que es capaz de hacer el procesador de una determinada máquina. Primer compilador: FORTRAN (1957) Primer compilador FORTRAN para IBM 704 (Formula Translator) Invención del mouse (1964). 12 Llega Intel Fundación 1968 Laboratorios Bell desarrolla el lenguaje C (1972) -> para escribir UNIX #include main() { for(;;) printf("hello world..."\n); }

7 13 Primer microprocesador en un chip Intel 4004 (1971) 14 Llega el primer Apple Apple I (1976)

8 15 y también nace Microsoft Y también le toca el turno al PC Nace en 1981

9 17 Y poco a poco van llegando los sistemas multimedia En 1984 nace el CD (por Sony) Y las interfaces gráficas: Macintosh (1984) 18 Y las interfaces gráficas: X Windows para UNIX (1984) También para Windows aunque un poco más tarde

10 19 Introducción a las arquitecturas HW de un ordenador: la máquina de Von Neumann 20 La máquina de von Neumann El modelo básico de arquitectura de un ordenador fue establecido en 1945 por Von Neumann (Pennsylvania University). Puesto que el dispositivo final ha de ser una máquina computadora de propósito general, deberá contener ciertos órganos fundamentales relacionados con la aritmética, la memoria de almacenamiento, el control y la comunicación con el operador humano.

11 21 La máquina de von Neumann Memoria principal: es una unidad dividida en celdas, que se identifican mediante una dirección. Todas las celdas son del mismo tamaño y se emplean para almacenar datos e instrucciones. Unidad aritmético-lógica: permite realizar una serie de operaciones elementales, tales como suma resta, AND, OR, etc. Unidad de control: se encarga de leer, una tras otra las instrucciones de máquina, y de generar las señales de control necesarias para que el computador funcione. Equipos de E/S: realiza las transferencias de información con las unidades exteriores denominadas periféricos. 22 Programa almacenado y propósito general La máquina debe ser capaz de almacenar no solamente la información digital necesaria en una determinada computación [ ] sino también las instrucciones que gobiernen la rutina a realizar sobre los datos numéricos. [ ] Para que la máquina sea de propósito general, debe ser posible instruirla de modo que pueda llevar a cabo cualquier computación formulada en términos numéricos. Por tanto, debe existir algún órgano capaz de almacenar esas órdenes de programa. Actualmente se habla de instrucciones. El conjunto de instrucciones diferentes que puede ejecutar un ordenador se llama juego o repertorio de instrucciones.

12 23 Instrucciones El computador es capaz de ejecutar una serie de instrucciones simples, tales como sumas, restas, movimientos de información, etc. Las instrucciones no se ejecutan de golpe, ya que al ser los computadores dispositivos digitales, llevan asociado un reloj que les marca el paso. Por lo general, una instrucción es una orden de procesamiento de información, por lo que su ejecución obliga a cumplir unos requisitos previos. En cualquier caso, los dos puntos anteriores obligan a realizar una temporización de la ejecución. 24 Memoria En el subsistema de memoria se almacenan tanto las instrucciones que forman un programa como los datos (arquitectura Princeton) La memoria ha de ser de acceso directo, también llamado acceso aleatorio. El elemento mínimo de almacenamiento es el bit. Un punto de memoria es un mecanismo físico capaz de almacenar un bit. En la MP (Memoria Principal), estos puntos de memoria se agrupan en posiciones, en cada una de las cuales se aloja un conjunto de bits o palabra. En cada acceso (de escritura o lectura) se introduce o se extrae una palabra completa (n bits) Cada una de las posiciones viene identificada por una dirección. El número de posiciones (esto es, palabras) que una memoria puede almacenar es su capacidad.

13 25 Memoria (II) Operaciones de lectura y escritura: 26 Memoria (III) Datos a almacenar en memoria Direcciones o «punteros» y enteros sin signo: d bits para 2 d direcciones Números enteros (con signo): binario (o decimal, BCD) n bits para una extensión de -2 n-1 a 2 n-1-1 (formatos de coma fija) Números reales: formatos de coma flotante n bits que determinan la extensión y la precisión Caracteres: ASCII, o ISO Latin1 (8 bits) o Unicode (uno o varios bytes) Nota: solo los dos primeros tienen sentido en la máquina de Von Neumann

14 27 Unidad aritmética y lógica Puesto que el dispositivo va a ser una máquina computadora, ha de contener un órgano aritmético que pueda realizar ciertas operaciones aritméticas elementales. Por tanto, habra una unidad capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir. La UAL incluye también las operaciones de tipo lógico. Disyuntiva hardware/software: muchas funciones pueden realizarse indistintamente de manera cableada (por hardware) o de manera programada (por software) 28 Unidad de control Si la memoria para órdenes es simplemente un órgano de almacenamiento, tiene que haber otro órgano que pueda ejecutar automáticamente las órdenes almacenadas en la memoria. A este órgano le llamaremos el control.

15 29 Unidad de control (II) Tiene que ser posible extraer números de cualquier parte de la memoria en cualquier momento. Sin embargo, en el caso de las órdenes, el tratamiento puede ser más metódico, puesto que las instrucciones de control se pueden poner, por lo menos parcialmente, en secuencial lineal. En consecuencia, el control se construirá de forma que normalmente proceda de la posición n memoria a la posición (n+1) para su siguiente instrucción. Otro aspecto: la modificación de instrucciones. Originalmente empleada para recorrer zonas de memoria. Ya no se emplea. 30 Unidades de entrada y salida Por último, tiene que haber dispositivos, que constituyen el órgano de entrada y de salida, mediante los cuales el operador y la máquina puedan comunicarse entre sí. Las unidades de entrada y salida, o dispositivos periféricos, pueden ser muchas y variadas.

16 31 Formato de instrucciones Representación de datos: en binario, con 40 bits. Repertorio de instrucciones: Sumar, restar, Hasta 2 8 instrucciones (256) Espacio de direccionamiento: 2 12 = 4096 palabras. 32 Fases de ejecución de instrucciones Las fases de ejecución de una instrucción suelen ser las siguientes: 1. La Unidad de Control indica a la Memoria Principal la siguiente instrucción que quiere ejecutar. 2. La U.C. recibe la instrucción, procediendo a su análisis para determinar los operandos sobre los que actúa y su localización. 3. Bajo las directrices de la U.C. la U.A.L realiza la operación y se guarda el resultado en su destino. 4. Una vez ejecutada la instrucción se incrementa el contador de programa y se pasa a realizar la ejecución de la siguiente instrucción.

17 33 Fases de ejecución de instrucciones Con otros nombres: Fases de búsqueda o fecht Fase de decodificación Fase de Ejecución/ almacenamiento de resultados Fase de incremento de PC 34 Ventajas y desventajas de la arq. Von Neumann Permite codigo automodificable Arquitectura electronica facil de diseñar Instrucciones y datos recuperados de forma secuencial (Von Neumann Bottleneck) Y todas las arquitecturas son iguales a la de Von Neumann? Podemos decir que se basan en ella pero han evolucionado desde ella la base es la misma pero los detalles cambian. CPU Memoria E/S buses

18 35 Una arquitectura contemporánea a la de V.N. La de Harvard. Ventajas y desventajas Facilita la realización del pipelining Mientras se procesa la instrucción actual se puede ir cargando la siguiente 36 Arquitecturas HW modernas

19 37 Diferentes tipos de UC: Juegos de instrucciones CISC: Complex Instruction Set Computer, disponen de más de 80 instrucciones distintas, algunas de las cuales, muy complejas y potentes que requieren muchos ciclos de reloj para su ejecución. RISC: Reduced Instruction Set Computer, juego de instrucciones reducido, con instrucciones simples, que se ejecutan en pocos ciclos de reloj. SISC: Specific Instruction Set Computer, destinados a aplicaciones muy concretas poseen un juego de instrucciones específico para las necesidades de la aplicación. 38 Una arquitectura moderna Veamos una arquitectura más moderna:

20 39 Registros de la UCP Aritméticos (antiguos acumuladores) De direccionamiento (índice, base, etc.) De propósito general (normalmente, organizados como una ML) De estado (incluyen indicadores Z, V, N, C) Contador de programa Otros, transparentes en el nivel de máquina convencional (microarquitectura) 40 Una arquitectura moderna (II) Front Side Bus EV6 (Athlon y Alpha), GTL+/AGTL+ (Intel) Internal bus Paralelos ISA, EISA, VESA, MCA, PCI, AGP Internal bus Serie PCI Express (PCIe), I2C, HyperTransport External bus Paralelos ATA (aka IDE, EIDE, ATAPI), SCSI, PCMCIA External bus Serie SATA, USB, IEEE 1394 (FireWire)

21 41 Ley de Moore densidad de transistores por chip Moore s Law i80386 i80486 Pentium Alpha 21264: 15 millones Pentium Pro: 5.5 millones PowerPC 620: 6.9 millones Alpha 21164: 9.3 millones Sparc Ultra: 5.2 millones i i8080 i4004 i8086 Ley demoore: 2X transistores/chip Cada 1.5 años Year Ley de Moore capacidad de memorias RAM size Año tamaño(megabit) Year 1.55X/año, o se dobla cada 1.6 años

22 43 Ley de Moore Mas datos Procesador: 2X en velocidad cada 1.5 años; 1000X en la última década. Memoria: DRAM capacidad: > 2x cada 1.5 años; 1000X en la última década. Coste por bit: mejora sobre un 25% cada año. Disco: Capacidad: > 2X en tamaño cada 1.5 años. Coste por bit: mejora sobre un 60% cada año. 200X en la última década. Autoría del material (c) Mario Muñoz Organero

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