Monday, 3 March 2008

Arquitectura de equipos y sistemas informáticos

Arquitectura de equipos y sistemas informáticos

Unidad 13. La CPU

A. Arquitectura de una CPU
Un microprocesador es un circuito integrado que incluye los siguientes bloques:
  • Unidad de control.
    • Es componente genera todas la señales tanto internas como externas, por lo que puede ser considerado el cerebro. Recibe las instrucciones en forma de combinaciones de bits, que decodifica y ejecuta. Para realizar su función dispone de:
      • Contador de programa (es un registro que almacena la dirección de memoria en la que se encuentra la siguiente instrucción que debe ejecutar).
      • Registro de instrucción (almacena las instrucciones que esté ejecutando el microprocesador, que pueden ser realizar una operación aritmético-lógica, cargar o leer datos o saltos o interrupciones).
      • Decodificador (extrae el código de operación de la instrucción que se quiere ejecutar y se lo pasa al secuenciador).
      • Reloj (todos los paso descritos se producen de forma sincronizada por los ciclos marcados a frecuencia constante marcados por el reloj).
      • Secuenciador (recibe el código de operación y genera la secuencia de microórdenes).
  • Unidad aritmético-lógica.
    • Es un circuito integrado capaz de realizar operaciones aritméticas y operaciones lógicas, se comunica con la unidad de control a través del bus interno. Esta compuesta por:
      • Circuito operacional (Son un conjunto de circuitos capaces de realizar todas las operaciones lógicas y aritméticas sobre los datos colocados en los registros de entrada).
      • Registros de entrada (REN) (Se emplean para almacenar los datos que intervienen en las operaciones, tanto los iniciales, los intermedios o los finales).
      • Registro acumulador (Almacena el resultado de las operaciones realizadas por el circuito operacional, esta conectado a los registros de entrada para cuando sea necesario operar con el resultado y al bus de datos para enviar el resultado a la unidad de control o memoria).
      • Registro de estado (flags) (Se trata de un registro compuesto por varios flags o indicadores del estado o condiciones de la ultima operación realizada).
  • Registros internos.
    • Adicionalmente a los registros internos del microprocesador que forman parte de algunos de sus bloques, como el contador de programa o el registro de estado, existen una serie de memorias internas que pueden tener una utilidad general o especifica.
      • Registro de datos: almacenan datos empleados por el procesador.
      • Registro de direcciones: almacenan vectores para acceder a la memoria.
      • Registro de estado: cada bit indica una información específica.
  • Buses internos.
    • Un bus es un camino físico de interconexión entre componentes y dispositivos, es decir, un conjunto de hilos conductores por cada uno de los cuales circulará un bit de información. Podemos distinguir tres tipos de buses:
      • Bus de datos: Es por el que circula la información relativa a los datos y a las instrucciones, es bidireccional.
      • Bus de direcciones: Es el que usa el microprocesador para indicar una dirección de memoria o un dispositivo de E/S al que quiere acceder.
      • Bus de control: A través de este bus se transportan las señales que controlan el correcto funcionamiento del sistema: señales de reloj, alimentación, interrupciones, etcétera.

La función de una CPU es ejecutar un programa o secuencia de instrucciones, para esto, debe cargarse primero en la memoria RAM, des de donde el ordenador ira extrayendo y ejecutando una a una las instrucciones del programa.

B. Ley de Moore
Día a día desde el lanzamiento del primer microprocesador las prestaciones han ido aumentado al mismo tiempo que reducen su tamaño, esto es posible gracias a la integración de circuitos integrados. El componente básico que integramos en todos los bloques es el transistor.
En 1965, Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel estableció lo que ha sido conocida como ley de Moore, el número de transistores que se integran en las CPU que van saliendo al mercado se duplica cada 18 meses.

C. Efecto de la temperatura
La carrera por la integración reflejada en el postulado de Moore ha generado de diversas técnicas para fabricar circuitos que permiten colocar cada vez un mayor número de componentes en un espació mas reducido, esto conlleva a que conjunto al aumento de velocidad de trabajo del microprocesador originen mucha mas calor. La situación descrita se solventa acoplando disipadores que se conectan mediante un gel térmico, además los disipadores suelen estar refrigerados por un ventilador, lo que aumenta su rendimiento.

D. CPU tipos CISC y RISC

El conjunto de instrucciones que puede interpretar y ejecutar un microprocesador varía de unos modelos a otros, dependiendo de su complejidad, a este conjunto se le llama set de instrucciones.
  • CISC (Set de instrucciones complejo) Los microprocesadores CISC ejecutan un número muy variado de instrucciones, por lo que tienen una circuitería más compleja y son más lentos que los RISC.
  • RISC (Set de instrucciones reducidos) Los microprocesadores RISC interpretan un número más reducido de instrucciones, por lo que sus requerimientos de circuitería son menores que los CISC y ejecutan dichas instrucciones de forma más rápida.

E. Acceso a memoria
Cuando la CPU va a ejecutar un programa, podría leer las instrucciones directamente desde el disco duro, pero la velocidad con la que éste puede proporcionar los datos de la CPU es muy baja, considerando la capacidad del procesamiento del chip. Por esta razón, a la hora de ejecutar un programa , éste se carga primero en la RAM, desde donde se podrá alimentar a la CPU a una velocidad adecuada (este es un proceso bidireccional).

F. Conexión básica de los elementos
En los equipos actuales, de la CPU salen 64 de estas diminutas pistas, que se conectan a un chip especial de ayuda denominado Northbridge, el cual esta a su vez conectado a la RAM. El Northbridge es un chip que controla la transferencia de datos desde la memoria a la CPU y viceversa.
Las conexiones que forman la CPU, el Northbridge y la RAM forman el llamado bus frontal (FSB, Front side bus) el cual consta de dos partes: bus de datos (datos de la CPU a la RAM) y el bus de direcciones (la CPU indica la dirección de los datos existentes en la RAM a los que quiere acceder.).



Unidad 14. La Memoria

La memoria es la parte del sistema, o el conjunto de dispositivos que almacenan los datos binarios que emplea el ordenador.
A. Estructuras de la memorias
Las memorias semiconductoras están formadas por matrices de elementos de almacenamiento, conocidos como celdas, que tendrán capacidad para almacenar un bit. Las memorias se encuentran organizadas por unidades de datos, agrupaciones de celdas que son tratadas como un bloque. Normalmente estas agrupaciones son de un byte.
Siempre que realicemos una operación sobre la memoria, lo haremos sobre su unidad de datos (la posición de una unidad de datos en la matriz constituye la direción de dicha unidad de datos en la memoria).
Una memoria tiene tantas conexiones de datos como el tamaño en bits del grupo de datos y tantas conexiones de direcciones como las necesarias para direccionar todos los grupos.

B. Operaciones básicas
Además de los hilos de datos y direcciones, la memoria incorpora una línea para indicar el tipo de operación que quiere realizarse. Con las memorias podemos llevar a cabo dos operaciones básicas: la escritura y la lectura (aunque algunas solo admiten la posibilidad de lectura).
  • Proceso de lectura:
    1. Se coloca la dirección del bloque de datos al que se quiere acceder en el bus de direcciones.
    2. Se activa la señal de lectura.
    3. Se produce la lectura, obteniendo el dato en el bus de datos.
  • Proceso de escritura:
    1. Se coloca la dirección del bloque de datos al que se quiere acceder en el bus de direcciones.
    2. Se colocan en el bus de datos, los que quieren guardarse en la posicición de memoria indicada.
    3. Se activa la señal de escritura.
    4. Se produce la escritura en la posición de memoria indicada.
Existen dos grandes tipos de memorias de semiconductores: La Ram y la Rom. Ambas son de acceso aleatorio, es decir, puede seleccionarse cualquier dirección de acceso, en cualquier orden. En otro tipo de memorias, con el denominado acceso secuencial, tenemos que recorrer todas las direcciones para llegar a la que nos interesa.
La Ram pierde los datos que almacena al desconectar la alimentación de corriente, mientras que la Rom mantiene los datos en ausencia de alimentación. Sin embargo, este último tipo tiene los datos grabados de forma permanente, por lo que no admite procesos de escritura posteriores.

Tipos de memorias RAM
Las memorias RAM tienen dos características:
  1. Son memorias de acceso aleatorio.
  2. Son memorias volátiles.
Dentro de estas memorias distinguimos dos categorías:
  1. SRAM (Ram estática). Utiliza biestables como unidad de almacenamiento, lo que permite mantener la información de forma indefinida, siempre que se mantenga la corriente eléctrica..
  2. DRAM (Ram dinámica). Utiliza condensadores como unidad de almacenamiento, que se descargan con el tiempo perdiendo la información (necesita refresco).

A. Memoria caché
Son las memorias de acceso rápido que incorporan los ordenadores actuales de tipo estático.
La CPU utiliza estas memorias para disponer de los datos más rápidamente. La idea es almacenar en las memorias caché los próximos datos que va a requerir.
La Controladora de cache se encarga de adivinar los datos que va a requerir la CPU y cargarlos previamente. Las tareas que realiza son:
  • Secuencialidad: Hay una alta probabilidad de que los accesos a memora de la CPU sean secuenciales.
  • Datos de frecuente acceso: Existen datos que son frecuentemente consultados por la CPU
Si los datos que busca la CPU se encuentran en la cache tenemos lo que se denomina un acierto de caché, en caso contrario tenemos un fallo de caché.
Los ordenadores suelen disponer de dos:
  • Caché primaria, conocida también como caché de nivel 1 (L1). Esta integrada en la CPU, de muy baja capacidad de almacenamiento pero de una velocidad muy elevada.
  • Caché secundaria, también conocida como de nivel 2 (L2). Se encuentra en la placa madre muy cerca ala CPU, de mayor capacidad que la anterior pero mas lenta.

B. La RAM del Sistema
Es la memoria principal del ordenador, se trata de memorias DRAM de gran cantidad aunque más lentas que las memorias caché. La CPU no habla directamente con la RAM, utiliza un intermediario que la libera de las funciones de control, este dispositivo es el chip conocido como Northbridge.
Tipos de RAM:
  • SDRAM (Synchronous Dynamic RAM).
  • DDR SDRAM (Double data Rate SDRAM).
  • RDRAM (Rambus Dynamic RAM).
Modulos de RAM
  • SIMM (Single inline Memory Modules)
  • DIMM (Dual inline Memory)
  • SO DIMM (Small outline DIMM)
  • RIMM (Rambus In-line Memory Module)

La ROM
Dadas las características de las ROM, estas memorias son idóneas para almacenar datos que no queremos que se pueden modificar, por ejemplo, las instrucciones de inicialización del ordenador o programas básicos para su funcionamiento, como pueden ser los controladores.
Tipos de ROM
  • Rom de máscara, conocida simplemente como ROM, se graban de fabrica y nunca se puede modificar la información almacenada.
  • PROM o Rom programable, básicamente es igual que la ROM de máscara, solo que a las PROM no se les cargan los datos en el proceso de fabricación, sino que se hace en un proceso posterior, pudiendo ser configuradas a medida para satisfacer las demandas de los usuarios.
  • EPROM son ROM programables y borrables, lógicamente en las EPROM la forma de almacenamiento es distinta a las PROM, de otro modo no podrian borrarse (tiene transistores en sus celdas que almacenan carga).
    • UV EPROM (que se borra mediante la exposición del chip a una radiación ultravioleta)
    • EEPROM (que se borran mediante impulsos eléctricos)

Memorias Flash
Tienen las mejores características de las RAM y de las ROM, se trata de memorias no volátiles, que mantienen su información sin necesidad de estar alimentadas eléctricamente, pero cuyo datos pueden ser borrados y actualizados fácilmente.
Estas memorias funcionan con un transistor por celda, al tener una celda con un único componente, ésta ocupa poco espacio, así estas memorias tienen una alta densidad, una gran cantidad de celdas o lo que es lo mismo una gran capacidad de almacenamiento.

La Rom BIOS
A. Chips de BIOS
La Bios de la placa madre debe recoger los programas necesarios para comunicarse con todos los chips que integra.

B. Dispositivos que necesitan BIOS
En un ordenador distinguimos tres tipos de dispositivos que necesitan BIOS:
  1. Dispositivos invariables de sistema (Son aquellos que vienen integrados en la placa base, conocidos como dispositivos centrales).
  2. Dispositivos variables del sistema (Son aquellos que típicamente varían en un sistema, ya que son externos a la placa base, como el disco duro, la disquetera... se trata de dispositivos necesarios y comunes que tienen determinados parámetros que pueden variar y habrá que configurar).
  3. Otros dispositivos (Hay otros dispositivos que integran un chip propio en la tarjeta de expansión, el cual contiene sus programas BIOS, es el caso de la tarjeta de sonido, de red...).

C. Configuración del sistema
Al iniciar el PC, lo primero que se presenta en pantalla es, ente otras cosas: la información de las BIOS, la marca del fabricante, la cantidad de RAM, discos duros... Para acceder a esta información y modificarla, por cambio o actualización de los distintos dispositivos, los fabricantes de BIOS han desarrollado la utilidad de Configuración del sistema.

D. Actualización de la BIOS
Para proceder a una actualización de BIOS, utilizaremos un actualizador de BIOS. Los actualizadores de BIOS son programas que suelen incluir las placas base y permiten instalar actualizaciones del software de la BIOS directamente descargas desde el sitio web del fabricante, también permiten realizar una copia de seguridad de la información actual de la BIOS.

E. El proceso de arranque
Al encender el ordenador, se ejecuta el programa de la BIOS, que realiza dos operaciones básicas para dejar el ordenador en condiciones adecuadas para su utilización:
  1. Ejecuta el POST, un proceso de chequeo, encaminado a comprobar que todos los componentes trabajan adecuadamente. Este proceso chequea:
    • La propia CPU
    • El programa POST
    • Los relojes del sistema
    • La memoria de vídeo
    • Los módulos RAM
    • La disponibilidad del teclado
    • Las unidades de disco disponibles
2. Realiza el proceso de bootstrap, que consiste en buscar la unidad del disco del sistema operativo, y cargar los ficheros de éste en la RAM


Unidad 15. Circuitería y componentes adicionales

El coprocesador matemático
La realización de cálculos matemáticos es una de las tareas más habituales para los que se emplean los ordenadores. El coprocesador numérico es un chip de apoyo que descarga de trabajo al procesador principal, colaborando con ella la realización de cálculos matemáticos. Viene integrado en el propio procesador hoy en día.

El chipset
Típicamente está constituido por dos circuitos integrados: el Northbridge y el Southbridge. El chipset incluye las funciones de circuitos integrados clásicos de apoyo, citados anteriormente, e incorpora algunas funciones para nuevos dispositivos que han aparecido como las funciones de administracion de energía, las controladoras del bus AGP, la controladora de caché, o las controladoras del bus USB.

A. Conexiones del chipset
El Northbridge maneja las comunicaciones de la CPU con:
  • La memoria RAM
  • El bus AGP
  • El Southbridge
El Southbridge controla las comunicaciones con el resto de los buses y dispositivos, lo que incluye:
  • El bus PCI
  • El bus USB
  • Las interfaces PS/2 para teclado y ratón
  • Puerto Serie
  • Puerto Paralelo
  • Puerto Fireware
  • Controlador de disquetera
  • Interfaz ATA y Serial ATA
  • Interfaz Ethernet.
El Northbridge condiciona las posibilidades de la placa madre en estos aspectos:
  1. Tipos de CPU que admite la placa
  2. Tipos de RAM que admite la placa

B. Funciones del chipset
  • Circuitos de temporización
    • De esta forma, el chipset controla la generación de las señales de reloj que usa nuestro ordenador y sobre todo proporciona la señal de reloj adecuada a cada elemento, las ventajas son claras:
      • Podemos actualizar cualquier componente de nuestro ordenador a otro equivalente, más rápido, manteniendo el resto de componetes.
      • Podemos diseñar el ordenador con componentes que trabajen a distintas velocidades, según las necesidades de la función que cubren.
      • Los fabricantes pueden comercializar sus productos para muy diversos equipos.
  • Controlador de acceso directo a memoria (DMA)
    • Prácticamente, todos los dispositivos utilizan la memoria del ordenador con bastante frecuencia, y el acceso a ella está controlado por la CPU. Esta gestión de la memoria supone una carga importante para el procesador, para liberar a la CPU se ha desarrollado un mecanismo denominado DMA o acceso directo a memoria que posibilite, como su nombre indica, el que un dispositivo pueda acceder directamente a la memoria sin que la CPU tenga que ocuparse.
  • Controlador del bus externo
    • Otra de las principales funciones del chipset es el control del tráfico de los buses. No solamente tiene que controlar comunicaciones entre buses que funcionan a distintas velocidades, sino que también puede darse la circunstancia de que los buses sean de distinto tamaño.
  • Controlador programable de interrupciones. (PIC)
    • El chipset incorpora la función de controlador de interrupciones. Como puede adivinarse, ésta consiste en gestionar las interrupciones que generan los distintos dispositivos, y hacérselas llegar a la CPU. Este controlador es el ya mencionado PIC
  • Controladores de periféricos.
    • Finalmente, debemos indicar que el chipset incorpora las funciones de control de varios dispositivos; por ejemplo, el controlador de discos duros o de disquetes.