INTRODUCCION AL HARDWARE

1. ARQUITECTURA VON NEWMAN 2009
ARQUITECTURA VON NEWMAN
La mayoría de los computadores actuales se basan en las ideas que el matemático John von Neumann
desarrolló. Lo que hoy en día se conoce como "arquitectura de von Neumann" se fundamenta en tres
ideas claves:
 En la memoria del computador se almacenan simultáneamente datos e instrucciones.
 Se puede acceder a la información contenida en la memoria especificando la dirección donde se
encuentra almacenada.
 La ejecución de un programa se realiza de forma secuencial pasando de una instrucción a la que le
sigue inmediatamente.
Un sistema informático consta de varias partes bien diferenciadas:
Periféricos: Sirven para introducir o extraer datos del ordenador. También se definen como aquellas
partes que comunican el ordenador con el exterior.
Canales: Coordinan los periféricos con el sistema, gestionan los intercambios de información con el
exterior. Se encargan además de controlar el funcionamiento de la E/S
Memoria central: Encargada de almacenar las instrucciones de programa, los datos y los resultados.
Unidades de control: Supervisan y controlan todas las operaciones que se realizan internamente.
Unidad Aritmético Lógica: Ejecuta todas las operaciones de tipo aritmético y lógico.
Estructura de
una C.P.U.
Estos componentes básicos permiten establecer relaciones entre sí por medio de señales eléctricas. Dichas
señales pueden adoptar dos valores materializados en la mayoría de los casos por la tensión eléctrica,
asignando el valor 0 lógico a tensiones entre 0 y 0,2 voltios, y 1 lógico para tensiones de entre 0,3 y 0,7
voltios.
Procesador: consta de unidad de control y UAL (o ALU)
Unidad de control: se encarga de controlar y supervisar los distintos componentes del sistema así
como establecer el orden y ejecución de las instrucciones. Su misión se divide en:
1. Interpretar el contenido de las distintas posiciones de memoria.
2. Ordenar la ejecución de las operaciones precisas en cada instrucción.
3. Atender y decidir sobre las posibles interrupciones que se puedan producir en la ejecución de un
programa
Las fases de trabajo de la U.C. son:
 Leer las instrucciones de la MC en el orden en que fueron almacenadas.
 Interpretar la instrucción.
 Ordenar y establecer las conexiones con las demás unidades para la realización
de la operación.
 Leer los datos necesarios de la M.C. para la ejecución de la instrucción.
 Operar con esos datos.
 Almacenar el resultado en M.C.
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Elementos de la U.C.
Para poder realizar las distintas funciones se compone de:
-Reloj: para la ejecución de las instrucciones el ordenador necesita de un sincronismo
de todas las unidades. Este sincronismo se consigue con el reloj. Éste, marca los
intervalos precisos de tiempo de actuación de todos los dispositivos que controla,
marcando la entrada, duración y salida de cada uno de los dispositivos. Esto se consigue
mediante la generación de impulsos eléctricos perfectamente regulares. Cada
instrucción necesitará un número concreto de ciclos de máquina , que dependerá en
gran medida de la complejidad y número de dispositivos que intervengan.
Un ciclo máquina es definido como el tiempo usado por el sistema para ejecutar una
operación interna completa a nivel elemental.
-Registros: al igual que la ALU, el UC posee una serie de registros que se clasifican en
función de lo que realizan:
 Registro de instrucción de la unidad de control: contiene la instrucción del
programa que se está ejecutando en cada momento, tanto el código de
operación (acción de la que se trata) como los operandos.
 Registro contador de la unidad de control o registro contador de instrucciones:
contiene la dirección de memoria donde se encuentra la siguiente instrucción
del programa que se está realizando.
 Decodificador (DEC): se encarga de extraer y analizar el código de operación
de la instrucción en curso (que está en el registro de instrucción).
Unidad aritmético Lógica (UAL o ALU):
se encarga de realizar las operaciones de tipo aritmético o lógico.
Partes de la ALU:
Circuitos operacionales. Constituidos por:
1. Circuito sumador: este realiza cualquier operación aritmética. Todas las operaciones se
convierten en suma. Se realizan en serie(utiliza un solo circuito sumador para todos los dígitos) o
en paralelo(utiliza un circuito sumador para cada dígito, es más rápido y complejo al contener
mayor número de circuitos).
2. Circuito complementador: necesario para realiza las restas de números. El complementador
calcula el complemento del sustraendo (a uno o a dos), sumándolo posteriormente con el circuito
sumador el resultado de la complementación con el minuendo.
3. Circuitos lógicos: comparan dos campos bit a bit y procede a cambiar la dirección
de la siguiente instrucción o no, en función de si el resultado de la operación coincide o
no con el resultado de la instrucción. Puede establecerse comparaciones de igualdad,
>,<, >=,<= o <>, así como las relaciones entre dos operadores mediante las funciones
booleanas; AND, OR, NOT, XOR,...
4. Registros generales o bancos de datos: su función es la de recibir una información,
conservarla y transmitirla dependiendo de la instrucción emitida por la U.C. Se
clasifican dependiendo de su función en:
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a. Registros acumuladores: se encargan de guardar o acumular resultados parciales
de las operaciones
b. Registros de desplazamiento: su misión es de desplazar hacia la izquierda o
derecha la información contenida en alguna posición de la memoria, un número de
posiciones.
c. Registros de estado: sirve para indicar el resultado de la última operación
efectuada, de forma que en cualquier momento de la unidad de control puede
decidir que hacer en función del resultado.
Canales (Buses)
Son unidades de realización de E/S de datos entre periféricos y la memoria central. Se hacen necesarios
ya que las velocidades de operación E/S son lentas en comparación con las que se realizan en la CPU.
Con éstos, la unidad de control se descarga de tareas de búsqueda pudiendo realizar otras
simultáneamente. Cuando un canal dispone tan sólo de funciones transmisoras y carece de iniciativas
propias se llama BUS, existen tres tipos de buses.
Bus de datos: por el circulan los datos que intercambian el procesador y los periféricos, es de doble
sentido y las transmisiones se realizan en paralelo (un hilo, un bit).
Bus de direcciones: por él circulan la dirección de memoria central donde se quiere acceder. Tiene
sentido único hacia la MC. En función a los dispositivos que se conectan se clasifican en:
a. Canal selector: enlaza los dispositivos de E/S rápidos con la CPU. Transmite
la información a ráfagas o bloques. Sólo permite el acceso de un único
periférico
b. Canal multiplexor: enlaza los lentos con la CPU, transmite la información carácter a
carácter. Permiten la simultaneidad de varios periféricos.
c. Bus de control: por él circulan las señales que marcan las interrelaciones con la CPU.
Sincroniza las actividades de E/S y es de doble sentido.
Instrucciones
Tipos
1. Según su función
 Instrucciones de transferencias de datos.
 Instrucciones de ruptura de secuencias.
*de salto condicional
*de salto incondicional
 Instrucciones aritméticas y lógicas.
 Instrucciones de E/S.
 Instrucciones de control.
2. Según su contenido: se componen de un código de operación y de uno o varios operandos.
Modos de direccionamiento: Indica el lugar donde están situados los datos que
intervienen en una instrucción. Tipos:
 Direccionamiento inmediato: el dato se encuentra en la instrucción
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 Direccionamiento directo: la instrucción contiene la dirección de memoria
central donde se encuentra el dato.
 Direccionamiento indirecto: la instrucción contiene la dirección de memoria
central donde contiene la dirección que contiene al dato.
 Direccionamiento indexado: la dirección de memoria se obtiene sumando la
dirección de la instrucción más un índice.
Memorias
Memoria Central: su misión es
 Contener en todo momento los datos introducidos.
 Contener los resultados intermedios y finales.
 Contener las instrucciones.
 Contener los programas.
Deben de tener una estructura que permita:
 Almacenamiento rápido de toda clase de información (superconductores-Silicio-Silicon)
 Conservar la información almacenada.
 Transferir lo más rápido posible los datos de/a la CPU.
 Borrar la información que no necesite estar almacenada.
La memoria se estructura en posiciones o celdillas de almacenamiento direccionado, donde cada posición
o celdilla tienen asignada una dirección que la identifica y diferencia de las demás.
El número de bits que compone una celdilla o unidad mínima direccionable depende de la construcción
electrónica de cada ordenador. Las más utilizadas constan de 8, 16, 32 o 64 bits. La cantidad de
información que puede registrarse o recuperarse de la memoria a partir de la posición asociada a la
dirección indicada se denomina palabra. Puede ocurrir que el ordenador esté configurado de tal forma
que cada posición de memoria se corresponda con 8 bits (un carácter) y las palabras de 16, 32 o 64 bits,
de esta forma podríamos almacenar o extraer 2, 4 u 8 caracteres respectivamente en una sola operación.
Las palabras pueden ser de longitud fija, variable o direccionables a byte.
Elementos de la memoria principal
 Registros de direcciones (RD): contiene la dirección de la posición de memoria donde se
encuentra o va a ser almacenada la información.
 Registro de memoria o intercambio de memoria (RIM): es el registro de unión entre la MC y el
resto de las unidades del ordenador. Contiene la información extraída o que va a ser grabada,
según la dirección de la posición de memoria contenida en el registro de dirección.
En función del tipo de información que contiene dicho registro puede tener un formato u otro diferente:
 si es un dato contiene la representación binaria del mismo.
 si es una instrucción el registro de memoria se divide en dos partes:
a. Código de instrucción: contiene el tipo de operación a realizar (suma, resta,
multiplicación, división, mover registro, desplazar, leer, ...)
b. Código de operando: contiene los datos que intervienen en la operación.
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Periféricos
Periféricos: unidades físicas que permiten introducir o extraer información representada del/al ordenador
en o desde un soporte físico.
Soporte: medio físico que contiene información codificada para su conservación o utilización por un
sistema informático. (papel, material magnetizable, ...).
Todo dispositivo periférico controla un soporte aunque en algunos casos el soporte carece de importancia
como tal ya que lo importante es la entrada o salida de datos y no su almacenamiento.
Clasificación de los periféricos:
En función de la misión que realicen:
 Unidades de entrada: introducen datos.
 Unidades de salida: extraen datos del la CPU al exterior.
 Unidades de Entrada/Salida.
Dispositivos o periféricos de entrada.
1. Primeros dispositivos de entrada.
Lectora de tarjeta perforada.
Lectora de cinta o banda de papel perforada.
2. Dispositivos de capturas automáticas:
Lectora de caracteres magnéticos (p.e. lectoras de cheques, tarjetas de créditos).
Lectora de caracteres y marcas ópticas (por láser).
Lectoras de códigos de barras.
3. Dispositivos de diálogo interactivo:
Teclado
4. Dispositivos para elección de opciones:
Ratón.
Lápiz óptico.
JoyStick y JoyPad.
Pantallas sensibles al tacto (E/S).
Reconocedor de voz.
5. Dispositivos para la entrada de gráficos e imágenes:
Digitalizadores (escáneres).
Dispositivos de imagen (cámaras de vídeo, fotografía digital...)
Dispositivos o periféricos de salida.
Pantalla de visualización.
Impresoras (de impacto, margarita, tambor, inyección y láser).
Plotters.
Grabadora de microfilm.
Sintetizador de voz.
Hologramas.
Perforadoras de tarjeta y cinta.
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Unidades de entrada / salida
Unidades de cinta magnéticas (cintas backup).
Unidades de discos magnéticos.
Unidades de discos ópticos.
Unidades de discos magneto-ópticos.
Lectora/perforadora de cintas/tarjetas de papel.
Terminales.
Modems (modulador-demodulador).
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