introduccion a los fundamentos de computadoresatc2.aut.uah.es/~juani/documentos/capitulo1.pdf ·...

Capitulo 1 –Fundamentos de Computadores - I.T.Telecomunicación - Segundo cuatrimestre.

Depto. Automática. Area de Arquitectura y Tecnología de Computadores. Juana López. Hoja 1

INTRODUCCIONA

LOSFUNDAMENTOS

DE

COMPUTADORES



PRIMERA APROXIMACION AL CONCEPTO DE COMPUTADOR

• Computador: máquina que procesa la información para obtener unos

resultados. • La información a procesar puede ser:

• Almacenada previamente en el computador • Introducida desde el exterior.

Periférico de entrada Procesador Periférico de salida



• Programa: Conjunto ordenado de instrucciones que debe ejecutar el

computador sobre los datos para resolver una aplicación.

• Semejanza del computador con una factoría con diversas secciones que se dedica a la obtención de productos terminados (resultados) mediante la transformación y manipulación de materias primas (datos).

• Almacenes: Memoria principal. • Oficina técnica: Unidad de control. • Líneas de producción: Camino de datos y Unidad Operativa.



PERIFÉRICO DE ENTRADA

PERIFÉRICO DE SALIDA

MEMORIA PRINCIPAL

ALMACEN DE DATOS E

INSTRUCCIONES

UNIDAD DE

CONTROL

CAMINO DE

DATOS

UCP

CUATRO BLOQUES FUNDAMENTALES QUE CONSTITUYEN EL COMPUTADOR



• Finales del siglo XX : Revolución de la información. • Informática: Estudia el tratamiento racional y mecanizado de la información. • Operaciones básicas que se pueden aplicar a la información:

• Recogida de datos • Depuración • Almacenamiento • Proceso aritmético o lógico (resultados numéricos o no) • Distribución y transmisión

• Tipo de representación es binaria. (“1” nivel lógico alto, “0” nivel lógico bajo) • Datos alfanuméricos: cadenas de caracteres formados por letras, números y

signos especiales. (representados por Códigos ASCII)



LA MAQUINA PROGRAMADA DE VON NEUMANN • Babbage, 1883- Idea de Máquina de propósito general. • Comienzos siglo XX: Fleming descubrió la válvula de vacío (Desarrollo de la

electrónica) • Proyecto ENIAC: Dirigido por Mauchly. Máquina de 30 toneladas, 16000m2 ,

17000 válvulas, 100 kw, 100 khz. Capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir. E/S mediante tarjetas perforadas.

• John Von Meumann transforma el ENIAC en el EDVAC, con tres novedades:

• Concepto de memoria. (máquina de programa almacenado) • Uso del sistema binario propiciado por válvulas de vacío. • Instrucciones de salto condicional.



MEMORIA PRINCIPAL

INSTRUCCIO-NES

Y DATOS

UNIDAD DE

ENTRADAS

Y SALIDAS

UNIDAD

DE

CONTROL

CAMINO

DE

DATOS

UCP

PERIFERICOS

GENERADOR DE IMPULSOS DE RELOJ

MAQUINA DE VON NEUMANN



DESARROLLOS COMERCIALES

• 1947 Eckert-Mauchly Corporation. Primera máquina BINAC. • 1951 E-M, adquirida por Remington-Rand. UNIVAC I • 1952 IBM 701, primer computador de IBM • 1964 System/360 IBM apuesta por una familia de ordenadores • 1965 DEC PDP-8 primer miniordenador comercial. Bajo coste • 1963 Primer Supercomputador. CDC 6000. Seymour Cray • 1976 CRAY-1 • 1977 Primer ordenador personal Apple-II • 1981 IBM Personal Computer (Intel y Microsoft)



LAS INSTRUCCIONES

• Dos tipos de información en memoria principal: Instrucciones y datos.

• Se diferencian en el lugar del computador donde se manipulan • Tamaño de bits con el que habitualmente se trabaja (ejemplo):

• 8 bits: BYTE • 16 bits: PALABRA • 32 bits: DOBLE PALABRA • 64 bits: CUADRUPLE PALABRA

TRATAMIENTO DE LAS INSTRUCCIONES

• Formato de las instrucciones: CODIGO OP. OPER 1 OPER 2 RESULTADO



FASES DE LA EJECUCION DE UNA INSTRUCCION

• FASE DE BUSQUEDA DE LA INSTRUCCION • FASE DE DECODIFICACION • FASE DE BUSQUEDA DE OPERANDOS • FASE DE EJECUCION • FASE DE ESCRITURA DEL RESULTADO



UC

PC BUS DIRECCIONES

INSTRUCCIONES

MEMORIA PPAL BUS DATOS

RI

UC 1º FASE: BUSQUEDA DE INSTRUCCION

2º FASE: DECODIFICACION

INSTRUCCIONES RI

DECODIFICACION UC



3º FASE: BUSQUEDA DE OPERANDOS

DIRECCION OPERANDO 1 DIRECCION OPERANDO 2

UC

BUS DIR

BUS DIR

OP 1 OP2

BUS DAT

BUS DAT

4º FASE: EJECUCION

OPER 1 OPER 2

CAMINO DE DATOS

ALU RESULTADO

SEÑALES CONTROL

5º FASE: ESCRITURA DEL RESULTADO

DIRECCION RESULTADO

UC BUS DIR

MEMORIA PPAL

RESULTADO



TIPOS DE INSTRUCCIONES

• Más instrucciones ==más bits en el código de operación. • Dos tendencias:

• RISC- Reduced Instruction Set Computer ( pocas, sencillas, 1 ciclo reloj)

• CISC- Complex Instruction Set Computer (muchas, complejas, varios

ciclos de reloj) • Tiempo que dedica un computador a ejecutar una instrucción se mide en

nanosegundos (10 –9 segundos)



CLASIFICACION DE INSTRUCCIONES • Instrucciones de TRANSFERENCIA: Mueven información entre posiciones de

memoria principal y/o registros. • Instrucciones ARITMETICAS: Efectúan básicamente sumas y restas binarias. • Instrucciones LOGICAS: Realizan las funciones lógicas AND, OR, XOR de dos

operandos binarios. • Instrucciones de salto: Rompen la ejecución ordenada de las instrucciones.

• En vez de incrementar el CP, lo cargan con valores aleatorios. • Pueden ser incondicionales y condicionales.



LENGUAJES DE PROGRAMACION • INSTRUCCIONES MAQUINA: Instrucciones expresadas con ceros y unos. • SURGEN LENGUAJES DE PROGRAMACION: Se representan con

abreviaturas adivinables. • Ejemplo: 1100 1100 1101 1100 ADD (SUMA) • Necesitan un programa traductor a ceros y unos.

• CLASIFICACION DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACION:

• Lenguaje de bajo nivel (l.máquina) o ENSAMBLADOR (NEMÓNICOS)

• Lenguaje de Alto nivel • Disponen de instrucciones diferentes de las que interpreta la

máquina. Se descomponen. • Ventaja: portabilidad. (Usando distintos compiladores, ejecuto en

distintas máquinas)



LOS DATOS: OPERANDOS Y RESULTADOS • DATOS: Expresiones binarias almacenadas en memoria principal utilizadas

por las instrucciones como operandos de entrada o resultados. • El tamaño de “palabra” suele ser función directa del tamaño del bus de datos. • TIPOS DE DATOS más usuales:

• ENTEROS Y ORDINALES • Números con y sin signo reconocidos por instrucciones

aritméticas.

• NUMEROS BCD • Codifican los dígitos decimales en binario mediante 4 bits.



• CADENAS DE CARACTERES • Representan texto mediante el uso de letras, números y signos

especiales. (Ej: código ASCII)

• CAMPO DE BITS • Conjunto de bits que puede ser manipulado por ciertas

instrucciones.

• PUNTERO DE DIRECCIONES • El dato hace referencia a una dirección de memoria.

• COMA FLOTANTE

• Expresiones numéricas en coma flotante con instrucciones que las tratan.



INFLUENCIA DE LA TECNOLOGIA EN LA CLASIFICACION DE LOS COMPUTADORES

• Clasificaciones a menudo basadas en potencia de procesamiento. • Parámetro del que depende la potencia: velocidad o frecuencia de trabajo. • Cada tres años se duplica la frecuencia de trabajo de los microprocesadores. • Posible clasificación:

• MICROCOMPUTADOR PERSONAL • MICROCOMPUTADOR PROFESIONAL • ESTACION DE TRABAJO • MINICOMPUTADOR • COMPUTADOR (MAINFRAME) • SUPERCOMPUTADOR

• Clasificaciones cambian en poco tiempo.



INFLUENCIA DE LA TECNOLOGIA EN LA CLASIFICACION DE LOS COMPUTADORES (II)

• Medida: MIPS Dhrystone: Millones de instrucciones por segundo según las

pruebas normalizadas Dhrystone. • Aumento de potencia impulsado por:

• Avances tecnológicos

• Nuevas implementaciones arquitectónicas.

• Progresos en el software y su impacto en los compiladores. • Las mayores aportaciones, en microcomputadores àconfluencia del

rendimiento.



EL IMPACTO TECNOLOGICO EN LA ESTRUCTURA DE LOS COMPUTADORES

PRIMERA ETAPA Nacimiento_ Von Neuman • Implementación: válvulas de vacío. • Velocidad similar de UCP y Memoria principal -à Rendimiento óptimo. SEGUNDA ETAPA • Distanciamiento en características de UCP y Memoria principal.

• UCP: circuitos integrados SSI Y MSI. • Memorias: núcleos de ferrita. (velocidad 10 veces inferior)

• Surgen computadores CISC (Microprogramadas à Memoria de control) • Reduce el nº de accesos a memoria. • Rendimiento supeditado a la memoria de control.



TERCERA ETAPA • Aumento en la densidad de integración (memorias electrónicas más

rápidas) • Aparición de Memoria Caché.

• Almacena las instrucciones que mas frecuentemente utiliza la UCP. • Decaen los CISC porque ahora se tarda más en decodificar que en

acceder a memoria. CUARTA ETAPA Mejoras de la velocidad de la UCP: 1) Eliminación de la microcodificación.à Instrucciones sencillas àNo memoria

de control 2) Reducción del tiempo de ciclo máquina.



3) Interpretación directa por el hardware de las instrucciones y ejecución en 1 ciclo máquina.

4) Selección de un número mínimo de instrucciones en el repertorio. 5) Ampliación de la caché para contener datos e instrucciones. Este nuevo enfoque promueve los computadores RISC.

UCP Memoria caché de Instrucciones

y datos

MEMORIA PRINCIPAL

ENTRADAS Y SALIDAS

DATOS

INSTRUCCIONES



CARACTERISTICAS DE LOS RISC • Pequeño repertorio de instrucciones (menos de 50) • Instrucciones simples realizadas directamente sobre el HW, sin microprograma. • Instrucciones tardan 1 ciclo máquina en ejecutarse. • Número elevado de registros internos para evitar accesos a memoria. • Modernos microprocesadores (Pentium) integran varias cachés: una para datos

y otra para instrucciones. • Clasificación de los computadores en cinco generaciones o décadas.1950-2000.



MIPS Y MFLOPS

MIPS: Millones de instrucciones que ejecuta un procesador en un segundo. Número total de instrucciones MIPS= ---------------------------------------------------. 10 -6 Tiempo tardado en segundos Tiempo tardado en segundos = Número de ciclos de reloj. Tiempo del ciclo = 1 = Número de ciclos de reloj. ----------------------------- Frecuencia Queda: Número total de instrucciones. Frecuencia Frecuencia MIPS = -----------------------------------------------------------. 10 –6 = ----------------------------10 -6

Número de ciclos de reloj CPI



¿Tiempo que se tarda en realizar un programa? Tiempo de ejecución de un programa = Nº de instrucciones. CPI. Tiempo del ciclo Nº total de instrucciones. CPI Tiempo de ejecución = ------------------------------------------ Frecuencia Sustituyendo: Nº total de instrucciones Tiempo de ejecución = ---------------------------------------- 10 -6 MIPS



RENDIMIENTO DE UN COMPUTADOR • Es directamente proporcional a su frecuencia de trabajo.

• (función de tecnología) • Es inversamente proporcional al valor del CPI.

• (Función de la arquitectura) • Es inversamente proporcional al número total de instrucciones que hay que

ejecutar. • (Función de arquitectura y compiladores)

MIPS medida poco fiable (ligado al compilador): Aparecen los MIPS relativos

(Referencia: VAX 11/780) -à 1 MIPS relativo.



Para cálculos científicos aparece: MFLOP: Megaflops o millones de operaciones en coma flotante por segundo Medida muy dependiente del programa que se ejecute. MFLOPS normalizados: Se pondera la complejidad de las operaciones.

introduccion a los fundamentos de computadoresatc2.aut.uah.es/~juani/documentos/capitulo1.pdf ·...

Documents