Antologia Arquitectura de Computadoras

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    21-Oct-2015

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<ul><li><p> 2</p><p>Contenido Pg. </p><p>Introduccin 3 Caractersticas de la asignatura 3 Objetivo General de la asignatura 3 Temario oficial 3 Temario detallado 4 Esbozo de la asignatura 6 </p><p>I Introduccin a la arquitectura de computadoras 7 </p><p>II La unidad aritmtica y lgica 18 </p><p>III La memoria 34 </p><p>IV La unidad central de procesamiento 53 </p><p>V Entrada-Salida 63 </p><p>BIBLIOGRAFA 88 CALENDARIO DE AVANCE PROGRAMTICO 89 </p></li><li><p> 3</p><p>Introduccin El principal propsito de esta gua es orientar a los estudiantes que cursan sus estudios en el sistema mixto, que se caracteriza, entre otras cosas, porque ellos son los principales responsables de su propio aprendizaje. </p><p>Como es este sistema cada alumno debe estudiar por su cuenta, en los tiempos y lugares que ms le convengan, se vuelve necesaria una gua que le ayude a lograr los objetivos de aprendizaje y que le facilite el acceso a los materiales didcticos (libros, publicaciones, audiovisuales, etctera) que requiere. Por estas razones, se han estructurado estas guas bsicamente en cuatro grandes partes: </p><p>1. Informacin general de la asignatura 2. Panorama de la asignatura 3. Desarrollo de cada una de las unidades </p><p> 4. Bibliografa </p><p>Caractersticas de la asignatura Arquitectura de Computadoras Licenciatura: Informtica Administrativa Semestre: 7 rea: Informtica Administrativa Requisitos: Matemticas Discretas, Sistemas Digitales. </p><p>Objetivo general de la asignatura El Alumno aprender la estructura y desempeo de los diferentes mdulos funcionales de la computadora y como interactan para atender las necesidades de procesamiento del usuario. La organizacin de las computadoras y la forma de conexin de los componentes electrnicos para formar un sistema computacional. </p><p>Temario oficial (18 asesorias) I Transferencia de registros y micro-operaciones (3 asesoras) II Organizacin y diseo bsico de computadoras (3 asesoras) III Unidad central de procesamiento (4 asesoras) IV Control Microprogramado (6 asesora) V Organizacin de Entrada-Salida (2 asesora) </p></li><li><p> 4</p><p>Temario Detallado </p><p>I Introduccin a la arquitectura de computadoras 7 1.1 Como surgieron las computadoras 7 1.2 La mquina como soporte de una aplicacin 8 1.3 Funcionamiento de las computadoras actuales 10 1.4 Objetivos de la computadora 11 1.5 El concepto de arquitectura de computadoras 15 </p><p>II La unidad aritmtica y lgica 18 2.1 La Unidad Aritmtica y Lgica 18 2.2 Construccin del ALU 19 2.3 Sumador Completo 22 2.4 Resta 23 2.5 Multiplicacin 25 2.6 Divisin 29 </p><p>III La Memoria 34 3.1 Memoria de Acceso Aleatorio 34 3.2 Memoria Dinmica 34 3.3 La Memoria de Slo Lectura 36 3.4 Memorias Programables y Borrables 38 3.5 Organizacin de la Memoria 42 </p><p>IV La unidad de procesamiento central 53 4.1 Datos binarios puros 53 4.2 Cdigo de Instrucciones 56 4.3 Registros 57 4.4 Forma de Usar los Registros 59 4.5 Banderas de Estado 60 4.6 Ejecucin de Instrucciones 4.7 La Unidad de Control 4.8 Ejemplo de Unidad de Control </p></li><li><p> 5 </p><p>V Entrada-Salida 63 5.1 Entrada/Salida Programada 63 5.2 Entrada/Salida por Interrupcin 65 5.3 Respuesta de la UPC a una Interrupcin 67 </p></li><li><p> 6</p><p>Esbozo de la asignatura </p><p>La materia de Arquitectura de Computadoras, tiene como objetivo el introducirnos por la estructura y desempeo de los diferentes mdulos funcionales de la computadora y como interactan para atender las necesidades de procesamiento del usuario. La organizacin de las computadoras estudia la manera en que se conectan los componentes de la circuitera para formar un sistema computacional. El diseo de computadoras analiza el desarrollo de la circuitera de computadora, tomando en consideracin un cierto conjunto de especificaciones. Este curso proporciona el conocimiento bsico necesario para aprender la operacin de la circuitera de computadoras digitales. </p><p>El primer tema introduce un Lenguaje de Transferencia de Registros y muestra cmo se usa para expresar microoperaciones en forma simblica. Se definen smbolos para microoperaciones aritmticas, lgicas y de corrimiento. Se desarrolla una unidad aritmtica lgica y de corrimiento compuesta para demostrar el diseo de la circuitera de las microoperaciones ms comunes. </p><p>La segunda unidad presenta la organizacin y el diseo de una computadora digital bsica. Aunque la computadora es sencilla comparada con las computadoras comerciales, no obstante, abarca suficientes posibilidades funcionales para mostrar la capacidad de un dispositivo de propsito general con programas almacenados. Se usa un lenguaje de transferencia de registros para describir la operacin interna de la computadora y para especificar los requisitos para su diseo. </p><p>Unidad 3, trata acerca de la unidad de procesamiento central (CPU). Explica la operacin de una pila de memoria y se muestran algunas de sus aplicaciones. Hace una relacin de las instrucciones ms comunes que se encuentran en las computadoras, junto con una explicacin de su funcin. Tambin presenta la computadora con conjunto reducido de instrucciones (RISC) y analiza sus caractersticas y ventajas. Durante la cuarta unidad se introduce el concepto de microprogramacin. Adems, desarrolla una unidad especfica de control microprogramado, para mostrar como se escribe un microcdigo para un conjunto de instrucciones tpico. Realiza en detalle el diseo de la unidad, incluyendo la circuitera para el secuenciador de microprograma. </p><p>En el transcurso de la unidad cinco se analizan las tcnicas que usan las computadoras para comunicarse con dispositivos de entrada y salida. Se presentan unidades de interface para mostrar cmo interactan el procesador con los perifricos externos. Se explica el procedimiento para transferencia asncrona de datos seriales paralelos. Analiza los modos de transferencia: E/S programada, transferencia iniciada por interrupcin, acceso directo a memoria y el uso de procesadores de entrada-salida. </p></li><li><p> 7</p><p>UNIDAD 1. INTRODUCCIN A LA ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS </p><p>Objetivo particular: Que el alumno sea capaz de dar su propia definicin de arquitectura de computadoras, reconociendo su objetivo y las personas que necesitan de ella; conocer e identificar las distintas evoluciones de la arquitectura de computadoras. </p><p>Temario detallado </p><p>1.1 Como surgieron las computadoras 1.2 La mquina como soporte de una aplicacin 1.3 Funcionamiento de las computadoras actuales 1.4 Objetivos de la computadora 1.5 El concepto de arquitectura de computadoras </p><p>Presentacin de la unidad </p><p>Asesoria 1</p><p>Introduccin </p><p>Resulta muy conveniente y a veces necesario conocer cmo funciona todo aquello que operamos habitualmente. La razn es simple: Cuntos usuarios de la informtica se quedan abrumados por no tener los mnimos conocimientos de electrnica e informtica, que le ayudaran a salvar la situacin? </p><p>Este es uno de los objetivos propuestos, y aunque la evolucin de equipos y componentes es muy amplio, se pretender dejar en claro las bases que ayuden a entender el funcionamiento y diseo de las computadoras que utilizamos hoy en da. </p><p>Conocer su arquitectura permite utilizarlo con mximo rendimiento y posibilita la optimizacin de aplicaciones desarrollada en ellas. Adems de, poder seleccionar los componentes que la integran adecuadamente para las aplicaciones o necesidades de cada usuario. Es decir, no son los mismo requerimientos de procesamiento de un diseador de grficos que una secretaria de oficina; por lo que, se hace necesaria una seleccin de componentes adecuada para el obtener el mximo rendimiento de acuerdo a la aplicacin. Estos son otros objetivos propuestos a lo largo de los contenidos de esta antologa. </p><p>Qu entendemos por computadora? Es una mquina programable, integrada por circuitos de microelectrnica, que procesan secuencialmente informacin digital, a gran velocidad y con notable presesin, dirigida por programas y utilizada en un gran nmero de trabajos1. </p><p>1 Pag 1. Arquitectura de ordenadores. E. Alcalde, F. Ormaechea, J. Portillo, F. Garca Merayo. 1991 </p></li><li><p> 8</p><p>1.1 Como surgieron las computadoras </p><p>Las historia de las computadoras, se remontan a los esfuerzos por encontrar un mecanismo que facilitara realizar operaciones de clculos matemticos o aritmticos. En la historia de las computadoras, nos encontramos con la maquina conocida como el baco, el cual consista en una calculadora de bolitas, es originario de China y Japn. El baco realizaba las operaciones bsicas de suma, resta, multiplicacin y divisin. </p><p>En la historia de las computadoras, en el siglo XVII se inventa la primera maquina aritmtica, por Pascal, el propsito de esta, era que fuese til en los clculos de sumar comercial. Fue un completo fracaso porque solo era reparada por su creador, ya que era el nico que conoca su mecanismo. Sin embargo el diseo de sumadora, sirvi para el desarrollo del resto de sumadoras manuales hasta los aos 60. Mas tarde, es creada una maquina que viene a perfeccionar la de Pascal, ya que se podan realizar operaciones con 7 u 8 dgitos, y tambin inclua multiplicaciones y divisiones. Se creador fue Leibtniz. </p><p>Luego surge una maquina, que permita calcular con 6 cifras decimales, la cual se conoca como la maquina de las diferencias. No tubo xito, ya que realizaba una tarea especifica, y diversificarla significaba un rediseo total de la maquina. Su creador fue Babbage. A finales del siglo XIX, surgen las tarjetas perforadas y las primeras compaas comerciales de computadoras u ordenadores, que lanzaron al mercado sus maquinas de sumar y de contabilidad. </p><p>En 1947 sali al mercado la UNIVAC, que permita entrada y salidas de datos, mediante tarjetas perforadas, y usaba cintas magnticas como memoria auxiliar. Hasta aqu se conoce el desarrollo de estas maquinas en la historia de las computadoras como primera generacin. </p><p>En 1948, se crea el transistor, y aqu empieza la minituarizacin de las computadoras u ordenadores, y siendo en la historia de las computadoras la etapa conocida como segunda generacin. </p><p>A partir de los aos 60, surgen en el mercado las minicomputadoras, al lograr integrar muchos transistores, aparece el primer microprocesador, conocido como chip y se entra en la historia de las computadoras en la tercera generacin. </p><p>En la historia de las computadoras, en la cuarta generacin se encuentran las computadoras u ordenadores de funcionamientos muy avanzados y complejos, las cuales conocemos hoy da, y estas se encuentran en las grandes organizaciones como son Organismos de investigacin y organismos de educacin como las universidades. </p><p>1.2 La mquina como soporte de una aplicacin </p><p>Un sistema digital es una interconexin de mdulos de hardware digital que realizan una tarea especfica de procesamiento de informacin. Los sistemas digitales varan en tamao y complejidad desde unos cuantos circuitos integrados hasta un complejo de computadoras digitales interconectadas e interactivas. El diseo de sistemas digitales </p></li><li><p> 9</p><p>utiliza de manera invariable un enfoque modular. Los mdulos se construyen a partir de componentes digitales como registros, decodificadores, elementos aritmticos y lgica de control. Los diferentes mdulos estn interconectados con los datos y las trayectorias de control comunes para formar un sistema de computadora digital. </p><p>Los mdulos digitales se definen mejor por los registros que contienen y las operaciones que realizan sobre los datos que almacenan. Las operaciones que se ejecutan sobre los datos almacenados en los registros se llaman microoperaciones. Una microoperacin es una operacin bsica realizada sobre la informacin almacenada en uno o mas registros. El resultado de la operacin puede sustituir la informacin binaria anterior de un registro o puede transferirse a otro. Algunos ejemplos de microoperaciones son desplazar, contar, borrar y cargar. Algunos de los componentes digitales que se presentaron son registros que sirven para realizar microoperaciones. Por ejemplo, un contador con carga paralela puede realizar las microoperaciones de incremento y carga; un registro de desplazamiento bidireccional puede realizar las microoperaciones de desplazamiento a la derecha y a la izquierda. </p><p>La organizacin interna del hardware de una computadora digital se define mejor al especificar: </p><p>1. El conjunto de registros que contiene y sus funciones. 2. La secuencia de microoperaciones que se realizan sobre la informacin binaria </p><p>almacenada en los registros. 3. El control que inicia la secuencia de microoperaciones. </p><p>Es posible especificar la secuencia de microoperaciones en una computadora, al explicar cada operacin en palabras, pero este procedimiento por lo general representa una extensa explicacin descriptiva. Es ms conveniente adoptar una simbologa conveniente para describir la secuencia de transferencias entre registros y las diferentes microoperaciones aritmticas y lgicas asociadas con las transferencias. El uso de smbolos en lugar de una explicacin narrativa proporciona una manera organizada y concisa para en listar las secuencias de microoperaciones en los registros y las funciones de control que las inician. </p><p>La notacin simblica que se utiliza para describir las transferencias de microoperaciones entre registros se llama lenguaje de transferencia de registros. El trmino "transferencia de registros" implica la disponibilidad de circuitos lgicos de hardware que puedan efectuar una microoperacin definida y transferir el resultado de la operacin al mismo o a otro registro. La palabra "lenguaje" se toma prestada de los programadores, quienes aplican este trmino a los lenguajes de programacin. Un lenguaje de programacin es un procedimiento para escribir smbolos con el fin de especificar cierto proceso computacional. De igual manera, un lenguaje natural, como el ingls, es un sistema para escribir smbolos y combinarlos en palabras y enunciados para la comunicacin entre personas. Un lenguaje de transferencia de registros es un sistema para expresar en forma simblica, las secuencias de microoperaciones entre los registros de un mdulo digital. Es una herramienta conveniente para describir la organizacin interna de las computadoras digitales de una manera precisa y concisa. Tambin puede usarse para facilitar el proceso de disear sistemas digitales. </p></li><li><p> 10</p><p>El lenguaje de transferencia de registros que se adopta aqu se considera lo ms sencillo posible, para que no sea difcil de memorizar. En seguida definiremos los smbolos para diferentes tipos de microoperaciones y al mismo tiempo describiremos el hardware asociado con el que se pueden llevar a cabo las microoperaciones planteadas. La denominacin simblica que se presenta en este captulo se optimizar en captulos posteriores para especificar las transferencias de registros, las microoperaciones y las funciones de control que describen la organizacin interna del hardware de las computadoras digitales. Se puede aprender con facilidad otra simbologa una vez que se familiariza uno con este lenguaje...</p></li></ul>