Informatica I

Estructura de una Computadora

Alejandro Furfaro

Marzo 2011

IntroduccionEl modelo de von Neumann.

Una vision Practica.Hardware y Software

Conclusiones

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1 Introduccion.

2 El modelo de von Neumann.

3 Una vision Practica.

4 Hardware y Software

5 Conclusiones

Alejandro Furfaro Estructura de una Computadora

IntroduccionEl modelo de von Neumann.

Una vision Practica.Hardware y Software

Conclusiones

DefinicionComponentes

¿Que es un Computador?

Stallings: “Maquina digital electronica programable para eltratamiento automatico de la informacion, capaz de recibirla,operar sobre ella mediante procesos determinados ysuministrar los resultados de tales operaciones.”Muy formal..... ya lo bajaremos un poco a la tierra...

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Una vision Practica.Hardware y Software

Conclusiones

DefinicionComponentes

Dos Grandes Componentes

Hardware. Tangible. Funciona mediante circuitos ySistemas electronicos.Software. Intangible. Es la inteligencia (o no) del sistema.Por eso. . .` hardware es lo que golpeamos,. . . software es lacausa. . . ´Principio de equivalencia Hardware-Software:“Cualquier cosa que puede ser hecha por software puedeser hecha en hardware y cualquier cosa que puede serhecha con hardware puede ser hecha con software”

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Una vision Practica.Hardware y Software

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DefinicionComponentes

Dos Grandes Componentes

Hardware. Tangible. Funciona mediante circuitos ySistemas electronicos.Software. Intangible. Es la inteligencia (o no) del sistema.Por eso. . .` hardware es lo que golpeamos,. . . software es lacausa. . . ´Principio de equivalencia Hardware-Software:“Cualquier cosa que puede ser hecha por software puedeser hecha en hardware y cualquier cosa que puede serhecha con hardware puede ser hecha con software”

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DefinicionComponentes

Dos Grandes Componentes

Hardware. Tangible. Funciona mediante circuitos ySistemas electronicos.Software. Intangible. Es la inteligencia (o no) del sistema.Por eso. . .` hardware es lo que golpeamos,. . . software es lacausa. . . ´Principio de equivalencia Hardware-Software:“Cualquier cosa que puede ser hecha por software puedeser hecha en hardware y cualquier cosa que puede serhecha con hardware puede ser hecha con software”

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DefinicionComponentes

Dos Grandes Componentes

Hardware. Tangible. Funciona mediante circuitos ySistemas electronicos.Software. Intangible. Es la inteligencia (o no) del sistema.Por eso. . .` hardware es lo que golpeamos,. . . software es lacausa. . . ´Principio de equivalencia Hardware-Software:“Cualquier cosa que puede ser hecha por software puedeser hecha en hardware y cualquier cosa que puede serhecha con hardware puede ser hecha con software”

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DefinicionComponentes

Dos Grandes Componentes

Hardware. Tangible. Funciona mediante circuitos ySistemas electronicos.Software. Intangible. Es la inteligencia (o no) del sistema.Por eso. . .` hardware es lo que golpeamos,. . . software es lacausa. . . ´Principio de equivalencia Hardware-Software:“Cualquier cosa que puede ser hecha por software puedeser hecha en hardware y cualquier cosa que puede serhecha con hardware puede ser hecha con software”

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Concepto de programa almacenado

Al inicio, programar eraconectar cables. . .

Hacer programas era otroaspecto del hardware.

Cada vez que habıa quecalcular algo distintohabıa que reconectartodo.

Mauchly y Eckert (ENIAC)documentaron la idea dealmacenar programascomo base de la EDVAC.Pero no lo publicaron. . .

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

John Von Meumann

1903 (Hungrıa) - 1957Dr. en Matematica yQuımicaPublico y publicito laidea de programaalmacenado enmemoria.No esta claro que se lehaya ocurrido a el, perofue quien publico.

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Lineamientos del Modelo Von Neumann

1 Los datos y programas se almacenan en una mismamemoria de lectura-escritura.

2 Los contenidos de esta memoria se direccionan indicandosu posicion sin importar su tipo.

3 Procesamiento secuencial de instrucciones (salvo que seindique lo contrario)

4 Datos binarios

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Lineamientos del Modelo Von Neumann

1 Los datos y programas se almacenan en una mismamemoria de lectura-escritura.

2 Los contenidos de esta memoria se direccionan indicandosu posicion sin importar su tipo.

3 Procesamiento secuencial de instrucciones (salvo que seindique lo contrario)

4 Datos binarios

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Lineamientos del Modelo Von Neumann

1 Los datos y programas se almacenan en una mismamemoria de lectura-escritura.

2 Los contenidos de esta memoria se direccionan indicandosu posicion sin importar su tipo.

3 Procesamiento secuencial de instrucciones (salvo que seindique lo contrario)

4 Datos binarios

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Lineamientos del Modelo Von Neumann

1 Los datos y programas se almacenan en una mismamemoria de lectura-escritura.

2 Los contenidos de esta memoria se direccionan indicandosu posicion sin importar su tipo.

3 Procesamiento secuencial de instrucciones (salvo que seindique lo contrario)

4 Datos binarios

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Lineamientos del Modelo Von Neumann

1 Los datos y programas se almacenan en una mismamemoria de lectura-escritura.

2 Los contenidos de esta memoria se direccionan indicandosu posicion sin importar su tipo.

3 Procesamiento secuencial de instrucciones (salvo que seindique lo contrario)

4 Datos binarios

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

3 componentes principales

1 CPUUnidad de ControlUnidad aritmetico logica (ALU)Registros

2 Memoria principal: Almacena programas y datos3 Sistema de Entrada/Salida: Conecta con el mundo exterior

Los tres componentes vinculados por un sistema deinterconexion (Buses)

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

3 componentes principales

1 CPUUnidad de ControlUnidad aritmetico logica (ALU)Registros

2 Memoria principal: Almacena programas y datos3 Sistema de Entrada/Salida: Conecta con el mundo exterior

Los tres componentes vinculados por un sistema deinterconexion (Buses)

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Conclusiones

AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

3 componentes principales

1 CPUUnidad de ControlUnidad aritmetico logica (ALU)Registros

2 Memoria principal: Almacena programas y datos3 Sistema de Entrada/Salida: Conecta con el mundo exterior

Los tres componentes vinculados por un sistema deinterconexion (Buses)

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

3 componentes principales

1 CPUUnidad de ControlUnidad aritmetico logica (ALU)Registros

2 Memoria principal: Almacena programas y datos3 Sistema de Entrada/Salida: Conecta con el mundo exterior

Los tres componentes vinculados por un sistema deinterconexion (Buses)

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

3 componentes principales

1 CPUUnidad de ControlUnidad aritmetico logica (ALU)Registros

2 Memoria principal: Almacena programas y datos3 Sistema de Entrada/Salida: Conecta con el mundo exterior

Los tres componentes vinculados por un sistema deinterconexion (Buses)

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Diagrama en bloques

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Diagrama en bloques

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AntecedentesPublicacion del modelo de programa almacenado

Estructura de la CPU

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Von Meumann modelo siglo XXIUniendo los tres componentes: BusesPrimeras ideas fuerzaProcesamiento Secuencial de Instrucciones

Una CPU actual...

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Von Meumann modelo siglo XXIUniendo los tres componentes: BusesPrimeras ideas fuerzaProcesamiento Secuencial de Instrucciones

Memorias actuales...

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Perifericos modernos...

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Conectados eletricamente....

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Con solo dos valores posibles de tension contınua...

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Que representa c/u un estado logico...

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El Bus de Direcciones

La CPU necesita poder seleccionar a cual de loselementos de memoria o de E/S quiere acceder.Para ello utiliza un conjunto de lıneas electricas cuyacantidad dependera de la cantidad de elementos posiblespara direccionarEste conjunto de lıneas se denominaBUS de Direcciones , o en ingles (idioma nativo de estaciencia nos guste o no....) Address BUSEste bus es unidireccional ya que es la CPU quienselecciona el elemento de memoria o de E/S a acceder. Lainformacion viaja desde la CPU hacia el sistema.

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Bus de direcciones de una sola lınea...

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...de dos lıneas...

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...de 16 lıneas...

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El Bus de Datos (Accediendo a los contenidos)

Una vez que la CPU ha logrado seleccionar a cual de loselementos de memoria o de E/S quiere acceder, debejustamente acceder a su contenido .Para ello utiliza un conjunto de lıneas electricas cuyacantidad dependera del tamano de datos (expresado enbits) que la CPU es capaz de manipular en una unicaoperacion de Lectura o Escritura.Este conjunto de lıneas se denomina BUS de Datos , o eningles Data BUSEste bus es bidireccional, ya que se utiliza para leer oescribir un contenido. Por tal motivo en cada operacion suslıneas son todas salientes hacia el sistema, o todasentrantes a la CPU desde el sistema.

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Von Meumann modelo siglo XXIUniendo los tres componentes: BusesPrimeras ideas fuerzaProcesamiento Secuencial de Instrucciones

Agregando el Bus de Datos...

. . . accedemos al contenido de la direccion dememoria seleccionada con el Bus de Address

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Agregando el Bus de Datos...

. . . accedemos al contenido de la direccion dememoria seleccionada con el Bus de Address

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Von Meumann modelo siglo XXIUniendo los tres componentes: BusesPrimeras ideas fuerzaProcesamiento Secuencial de Instrucciones

El Bus de Control

Una vez que la CPU ha logrado seleccionar a cual de loselementos de memoria o de E/S quiere acceder, antes deacceder a su contenido , debe especificar si el acceso esuna lectura, o una modificacion (escritura) del contenido .Para ello utiliza un conjunto de lıneas electricasindividuales cuya cantidad dependera de las operacionesque la CPU sea capaz e controlar.Este conjunto de lıneas se denomina BUS de Control , oen ingles Control BUSEste bus esta formado por lıneas individuales, algunasentrantes desde el sistema a la CPU y otras salientesdesde la CPU hacia el resto del sistema.

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Con el Bus de Control...

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Entonces.. ¿Que “ve” el procesador?

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Secuencia de instrucciones = Programa

Ejemplo

Leer va r i ab le1 en r e g i s t r o 1Leer va r i ab le2 en r e g i s t r o 2sumar reg i s t r o1 , r e g i s t r o 2Almacenar reg i s t r o1 , resu l tado

Estas cuatro simples lıneas, le ordenan a una CPU imaginaria,leer dos variables de memoria, ( en nuestro caso variable1 yvariable2 , en sendos registros internos de la CPU. Luego sesuman esos registros y el resultado (que se almaceno en elprimero de los dos registros a la derecha de la instruccion), sealmacena en otra variable a la que denominamos resultado .

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Ciclo de Instruccion

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IAS: La computadora que implemento Von Neumann¿Como se lleva a cabo el ciclo de instruccion?

Diagrama en bloques de una CPU mınima

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IAS: La computadora que implemento Von Neumann¿Como se lleva a cabo el ciclo de instruccion?

Dos grandes bloques principales

Para Von Neumann una CPU se divide en:1 Una Unidad Aritmetico Logica (ALU)

En donde se efectuan todas las operaciones aritmeticas suma, resta,incremento, decremento, multiplicaciona, divisionb

2 Una Unidad de Control (CU)Implementa la maquina de estados de ejecucion, manejando lassenales electricas adecuadas dentro de la CPU, y en sus pines, paraasegurar la correcta ejecucion de cada operacion. Excepto el calculo, elresto de las operaciones involucradas en la ejecucion de la instruccion,se realizan en esta Unidad (Fetch, Calculo de las direcciones, etc)

a Si es que el modelo particular de CPU la soportab ıdem anterior

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IAS: La computadora que implemento Von Neumann¿Como se lleva a cabo el ciclo de instruccion?

Palabra de instruccionCada instruccion de una CPU se compone en general de dos campos:Codigo de Operacion, y Referencia al Operando.

Codigo de Operacion: Especifica que es lo que hace la instruccion. Ej:Sumar, Mover, Decrementar, And Logica, Saltar a otra direccion, etc.Si bien es un numero binario (unos y ceros) se representa a cadainstruccion mediante una abreviatura mas o menos ajustada al nombrede la operacion que realiza (en ingles... of course). Ej: ADD, MOV, DEC,AND, JMP.La referencia al operando puede ser una direccion de memoria porejemplo, o en CPU’s mas modernas, se puede referir a registrosinternos.Hay tantas variantes de este tipo de implementacion comomicroprocesadores comerciales. . .

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Palabra de instruccion

Von Neumann diseno IAS para leer dos instrucciones porvez.Una palabra de instruccion tiene dos instrucciones

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IAS: La computadora que implemento Von Neumann¿Como se lleva a cabo el ciclo de instruccion?

CPU en detalleMemory Buffer Register (MBR): Contiene lapalabra a almacenar en memoria, o la palabraque se ha leıdo desde memoria.

Memory Address Register (MAR): Especificaen que direccion de memoria se almacenara, odesde que direccion se ha leıdo la palabracontenida por el MBR .

Instruction Register (IR): Contiene el codigode operacion de la instruccion que esta siendoprocesada.

Instruction Buffer Register (IBR): Almacenatemporariamente la instruccion del ladoderecho de la palabra de instruccion.

Program Cunter (PC): Contiene la direccionde la proxima palabra de instruccion a buscaren memoria.

Accumulator (AC), y Multiplier/Quotient(MQ): Contienen operandos y resultados de lasoperaciones de la ALU.

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CPU en detalleMemory Buffer Register (MBR): Contiene lapalabra a almacenar en memoria, o la palabraque se ha leıdo desde memoria.

Memory Address Register (MAR): Especificaen que direccion de memoria se almacenara, odesde que direccion se ha leıdo la palabracontenida por el MBR .

Instruction Register (IR): Contiene el codigode operacion de la instruccion que esta siendoprocesada.

Instruction Buffer Register (IBR): Almacenatemporariamente la instruccion del ladoderecho de la palabra de instruccion.

Program Cunter (PC): Contiene la direccionde la proxima palabra de instruccion a buscaren memoria.

Accumulator (AC), y Multiplier/Quotient(MQ): Contienen operandos y resultados de lasoperaciones de la ALU.

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CPU en detalleMemory Buffer Register (MBR): Contiene lapalabra a almacenar en memoria, o la palabraque se ha leıdo desde memoria.

Memory Address Register (MAR): Especificaen que direccion de memoria se almacenara, odesde que direccion se ha leıdo la palabracontenida por el MBR .

Instruction Register (IR): Contiene el codigode operacion de la instruccion que esta siendoprocesada.

Instruction Buffer Register (IBR): Almacenatemporariamente la instruccion del ladoderecho de la palabra de instruccion.

Program Cunter (PC): Contiene la direccionde la proxima palabra de instruccion a buscaren memoria.

Accumulator (AC), y Multiplier/Quotient(MQ): Contienen operandos y resultados de lasoperaciones de la ALU.

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CPU en detalleMemory Buffer Register (MBR): Contiene lapalabra a almacenar en memoria, o la palabraque se ha leıdo desde memoria.

Memory Address Register (MAR): Especificaen que direccion de memoria se almacenara, odesde que direccion se ha leıdo la palabracontenida por el MBR .

Instruction Register (IR): Contiene el codigode operacion de la instruccion que esta siendoprocesada.

Instruction Buffer Register (IBR): Almacenatemporariamente la instruccion del ladoderecho de la palabra de instruccion.

Program Cunter (PC): Contiene la direccionde la proxima palabra de instruccion a buscaren memoria.

Accumulator (AC), y Multiplier/Quotient(MQ): Contienen operandos y resultados de lasoperaciones de la ALU.

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CPU en detalleMemory Buffer Register (MBR): Contiene lapalabra a almacenar en memoria, o la palabraque se ha leıdo desde memoria.

Memory Address Register (MAR): Especificaen que direccion de memoria se almacenara, odesde que direccion se ha leıdo la palabracontenida por el MBR .

Instruction Register (IR): Contiene el codigode operacion de la instruccion que esta siendoprocesada.

Instruction Buffer Register (IBR): Almacenatemporariamente la instruccion del ladoderecho de la palabra de instruccion.

Program Cunter (PC): Contiene la direccionde la proxima palabra de instruccion a buscaren memoria.

Accumulator (AC), y Multiplier/Quotient(MQ): Contienen operandos y resultados de lasoperaciones de la ALU.

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CPU en detalleMemory Buffer Register (MBR): Contiene lapalabra a almacenar en memoria, o la palabraque se ha leıdo desde memoria.

Memory Address Register (MAR): Especificaen que direccion de memoria se almacenara, odesde que direccion se ha leıdo la palabracontenida por el MBR .

Instruction Register (IR): Contiene el codigode operacion de la instruccion que esta siendoprocesada.

Instruction Buffer Register (IBR): Almacenatemporariamente la instruccion del ladoderecho de la palabra de instruccion.

Program Cunter (PC): Contiene la direccionde la proxima palabra de instruccion a buscaren memoria.

Accumulator (AC), y Multiplier/Quotient(MQ): Contienen operandos y resultados de lasoperaciones de la ALU.

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CPU en detalleMemory Buffer Register (MBR): Contiene lapalabra a almacenar en memoria, o la palabraque se ha leıdo desde memoria.

Memory Address Register (MAR): Especificaen que direccion de memoria se almacenara, odesde que direccion se ha leıdo la palabracontenida por el MBR .

Instruction Register (IR): Contiene el codigode operacion de la instruccion que esta siendoprocesada.

Instruction Buffer Register (IBR): Almacenatemporariamente la instruccion del ladoderecho de la palabra de instruccion.

Program Cunter (PC): Contiene la direccionde la proxima palabra de instruccion a buscaren memoria.

Accumulator (AC), y Multiplier/Quotient(MQ): Contienen operandos y resultados de lasoperaciones de la ALU.

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Vista mas detallada del sistema completo

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Partimos del modelo de IAS

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Fetch

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Decodificacion

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Lectura de operandos

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IAS: La computadora que implemento Von Neumann¿Como se lleva a cabo el ciclo de instruccion?

Ejecucion

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IAS: La computadora que implemento Von Neumann¿Como se lleva a cabo el ciclo de instruccion?

Nuevamente...

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Conclusiones

Un Procesador es una maquina secuencial que:

1 Busca una instruccion (FETCH)2 La interpreta (DECODE)3 Busca los operandos que necesita (READ OP)4 La Ejecuta (EXECUTE)5 Almacena el Resultado (STORAGE)6 Vuelve a 1

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Un Procesador es una maquina secuencial que:

1 Busca una instruccion (FETCH)2 La interpreta (DECODE)3 Busca los operandos que necesita (READ OP)4 La Ejecuta (EXECUTE)5 Almacena el Resultado (STORAGE)6 Vuelve a 1

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Un Procesador es una maquina secuencial que:

1 Busca una instruccion (FETCH)2 La interpreta (DECODE)3 Busca los operandos que necesita (READ OP)4 La Ejecuta (EXECUTE)5 Almacena el Resultado (STORAGE)6 Vuelve a 1

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Un Procesador es una maquina secuencial que:

1 Busca una instruccion (FETCH)2 La interpreta (DECODE)3 Busca los operandos que necesita (READ OP)4 La Ejecuta (EXECUTE)5 Almacena el Resultado (STORAGE)6 Vuelve a 1

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Un Procesador es una maquina secuencial que:

1 Busca una instruccion (FETCH)2 La interpreta (DECODE)3 Busca los operandos que necesita (READ OP)4 La Ejecuta (EXECUTE)5 Almacena el Resultado (STORAGE)6 Vuelve a 1

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Un Procesador es una maquina secuencial que:

1 Busca una instruccion (FETCH)2 La interpreta (DECODE)3 Busca los operandos que necesita (READ OP)4 La Ejecuta (EXECUTE)5 Almacena el Resultado (STORAGE)6 Vuelve a 1

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Un Procesador es una maquina secuencial que:

1 Busca una instruccion (FETCH)2 La interpreta (DECODE)3 Busca los operandos que necesita (READ OP)4 La Ejecuta (EXECUTE)5 Almacena el Resultado (STORAGE)6 Vuelve a 1

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Conclusiones

Otra vez Hardware + Software

El Modelo de von Neumann nos sirve para corroborarcomo una CPU (hardware) ejecuta una serie de accionesen forma de programa (software) almacenadas en lamemoria (hardware) del sistema.Esto nos tiene que servir para entender la ıntima relaciondel hardware y el software y su sociedad indisoluble.

Uno no puede lograr nadasin el otro.

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