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1. Arquitectura de Computadores
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
TECNOLOGÍA
Escuela de informática
Sistemas Operativos I
Clase 1
Arquitecturas y Partes de la CPU

2. Objetivos
 Arquitecturas
 von Neumann
 Otras
 Unidad Central de Procesamiento (CPU)
 Responsabilidades
 Requisitos
 Partes de una CPU
 ALU
 Control & Decode
 Registros
 Electrónica y buses
Objetivos
M Bracho 2 Arquitectura de Computadores

3. M Bracho 3
Índice
Capítulo 3 : Arquitecturas
3. Arquitecturas
3.1 von Neumann
3.2 Harvard
3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas
distribuidos)
Arquitectura de Computadores

4. M Bracho 4
Introducción
Capítulo 3 : Arquitecturas
Arquitectura de Computadores
Corresponde a la estructura, organización, e
interconexión de las diversas partes de un
computador
Arquitectura de Computadores
Arquitectura de Computadores
 Arquitectura del set de instrucciones
 Cantidad de instrucciones
 Tamaño de las instrucciones
 Maneras de acceder a memoria
 Organización funcional
 Registros
 Interconexión entre los componentes
 Mecanísmos de Entrada/Salida (I/O)
 Jerarquías de memoria

5. M Bracho 5
Introducción
Capítulo 3 : Arquitecturas
 ¿Qué hace un computador?
 Almacenar Datos (leer - escribir).
 Almacenar Programas.
 Ejecutar operaciones sobre datos.
 Ejecutar algoritmos.
 Recibir nuevos datos.
 Entregar resultados.
Arquitectura de Computadores

6. M Bracho 6
Índice
3.1 von Neumann
3.1 von Neumann
3.2 Harvard
3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas
distribuidos)
Arquitectura de Computadores
Capítulo 3 : Arquitecturas

7. M Bracho 7
Introducción
Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann
John von Neumann (se pronuncia «fon
noiman»)
(28 de diciembre de 1903 - 8 de febrero de 1957)
Fue un matemático húngaro-
estadounidense, de ascendencia judía.
Fue pionero de la computadora digital
moderna y de la aplicación de la teoría
operadora a la mecánica cuántica.
Participó del Proyecto Manhattan
Arquitectura de Computadores

8. M Bracho 8
Introducción
Trabajó con Eckert y Mauchly en la
Universidad de Pennsylvania, donde
publicó un artículo acerca del
almacenamiento de programas.
El concepto de programa almacenado
permitió la lectura de un programa
directamente desde la memoria del
computador, así como la ejecución de
las instrucciones del mismo sin
necesidad de un medio externo (cinta).
(Tomado de Wikipedia: John von Neumann)
Arquitectura de Computadores
Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann

9. M Bracho 9
Arquitectura de von Neumann
 John von Neumann propuso una manera de
estructurar un computador.
 Almacenar Datos (leer - escribir).
 Almacenar Programas.
 Ejecutar operaciones sobre datos.
 Ejecutar algoritmos.
 Recibir nuevos datos.
 Entregar resultados.
CPU
Memoria
Input/Output
Arquitectura de Computadores
Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann

10. M Bracho 10
Arquitectura de von Neumann
 CPU, Memoria e I/O se comunican a través
de Buses.
I/O
Memoria
Address Bus
Control
CPU
Control
Data Bus
Arquitectura de Computadores
Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann

11. M Bracho 11
Índice
3.1 von Neumann
3.2 Harvard
3.2 Harvard
3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas
distribuidos)
Arquitectura de Computadores
Capítulo 3 : Arquitecturas

12. M Bracho 12
Arquitectura Harvard
Capítulo 3 : Arquitecturas - Harvard
 Utiliza 2 memorias independientes
 Datos
 Instrucciones
 El término proviene de la computadora
Harvard Mark I, que almacenaba las
instrucciones en cintas perforadas y los datos
en interruptores.
Arquitectura de Computadores

13. M Bracho 13
Arquitectura Harvard
 Ventajas de la arquitectura Harvard
 Instrucciones y datos de distinto largo
 Memorias de distinto tamaño
 bits de direccionamiento distintos
 Memorias con distinta tecnología
 Disminuyo el cuello de botella en el acceso a memoria
 En controladores embebidos:
 RAM para los datos
 ROM para las instrucciones
Arquitectura de Computadores
Capítulo 3 : Arquitecturas - Comparación

14. M Bracho 14
Arquitectura de von Neumann
Capítulo 3 : Arquitecturas - Comparación
 Ventajas de la arquitectura de von Neumann
 Uso mas eficiente de la memoria
 Jerarquía de memoria no requiere estar dividida en 2
 Más simple arquitectónicamente
 Un solo tipo de instrucciones para acceder a memoria
 Un solo bus de datos y de direcciones
 Una misma forma de acceso a datos e instrucciones
 Mayor flexibilidad
 Útil para el sistema operativo
 Paginación a disco
 Código automodificante
 CPU con menos operaciones y mas flexible
Arquitectura de Computadores

15. M Bracho 15
Índice
3.1 von Neumann
3.2 Harvard
3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas
3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas
distribuidos)
distribuidos)
Arquitectura de Computadores
Capítulo 3 : Arquitecturas

16. M Bracho 16
Multiprocesador
Capítulo 3 : Arquitecturas
Arquitectura de Computadores
Procesador
Memoria
local *
Procesador
Memoria
local
Procesador
Memoria
local
Procesador
Memoria
local
Memoria Principal I/O
* Memoria Local: mantiene una copia local de una porción de la memoria principal

17. M Bracho 17
Multiprocesador
Capítulo 3 : Arquitecturas
 Ventajas
 Procesamiento paralelo
 Cercanía entre CPUs
permite altas tasas de
transferencia de datos
 Desventajas
 No todo es paralelizable
Arquitectura de Computadores
 Problemas de coherencia de memoria local con
memoria principal

18. M Bracho 18
Sistemas distribuidos
Arquitectura de Computadores
Red de interconexión
Procesador
Memoria
I/O
Procesador
Memoria
I/O
Procesador
Memoria
I/O
Capítulo 3 : Arquitecturas

19. M Bracho 19
Sistemas distribuidos
Arquitectura de Computadores
Red de interconexión
 Cada nodo funciona como un computador
independiente
 Se comunican por red
 Distintas topologías: estrella, anillo, etc.
Capítulo 3 : Arquitecturas

20. M Bracho 20
Sistemas distribuidos
Arquitectura de Computadores
 Ventajas
 Procesamiento paralelo
 Facilidad de incorporar y quitar
nodos del sistema
 Desventajas
 No todo es paralelizable
 Overhead en la transferencia de datos es
considerablemente mayor
 Problemas de coherencia de memorias
Capítulo 3 : Arquitecturas

21. M Bracho 21
Índice
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
4.Unidad de Central de Procesamiento (CPU)
4.1 Partes de la CPU.
4.2 Ciclo de la Instrucción.
4.3 Conjunto de Instrucciones y tipos de
funcionalidad.
4.4 Diseño de una CPU básica.
4.5 CISC/RISC.
4.6 Modos de direccionamiento.
4.7 Instrucciones en lenguaje de máquina.
4.8 Subrutinas y Manejo de Stack.
4.9 Interrupciones de software y hadware.
Arquitectura de Computadores

22. M Bracho 22
Introducción
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
Arquitectura de Computadores
Componente principal de un computador,
encargado del control de flujo, decodificación
y ejecución de instrucciones, y
procesamiento y transferencia de datos.
 Cerebro del computador
Unidad Central de Procesamiento
Unidad Central de Procesamiento
(CPU o procesador)
(CPU o procesador)

23. M Bracho 23
Índice
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
4.1 Partes de la CPU.
4.2 Ciclo de la Instrucción.
4.3 Conjunto de Instrucciones y tipos de
funcionalidad.
4.4 Diseño de una CPU básica.
4.5 CISC/RISC.
4.6 Modos de direccionamiento.
4.7 Instrucciones en lenguaje de máquina.
4.8 Subrutinas y Manejo de Stack.
4.9 Interrupciones de software y hadware.
Arquitectura de Computadores

24. M Bracho 24
Partes de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
 Responsabilidades
 Ejecutar Operaciones y Algoritmos
 Controlar Flujo del Programa
 Controlar Circuitos Internos
Arquitectura de Computadores

25. M Bracho 25
9
00
01 1100011001
02 1110001010
03 1110000000
04 0110011000
05 0000011000
06 0001111000
07 0000000100
08 1111000000
09 0000000101
0A 0000000000
Partes de la CPU
 Requisitos:
 Procesar instrucción
 Leer datos
 Almacenar
Temporalmente los
datos
 ALU – FPU
 Almacenar
Resultados
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
1101110111
Load (7h)
4
5
Arquitectura de Computadores
0000001001
9
ALU
ALU
Memoria
Ejecutar Operaciones y Algoritmos

26. 00
01
02
03
04 0110011000
05 0000011000
06 0001111000
07 0000000100
08 1111000000
09 0000000101
0A 0000000000
1110000000
MOVE(0Ah)
M Bracho 26
1110001010
1100011001
ADD(09h)
Partes de la CPU
 Ej. programa anterior.
LOAD (07h)
ADD (09h)
MOVE(0Ah)
GOTO(08h)
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
1101110111
LOAD (07h)
4
5
ALU
ALU
9
 Requisitos
 Instruction Pointer
 Mecanismos de Salto
Arquitectura de Computadores
9
GOTO(08h)
0000001001
Control de Flujo
Memoria

27. M Bracho 27
00 LOAD (07h)
01 ADD(09h)
02 MOVE(0Ah)
03 GOTO(08h)
04 0110011000
05 0000011000
06 0001111000
07 0000000100
08 1111000000
09 0000000101
0A 0000000000
Partes de la CPU
Ej. implementación
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
memoria
m
u
x
A
L
U
0001111000
registro
Circuitos internos
Requisitos
 Buses internos.
 Señales de control.
 ALU (función)
 Mux
 Registros (Load,etc)
 Contador (Inc,
Load,etc)
00000000
contador
Arquitectura de Computadores

28. M Bracho 28
Partes de la CPU
 Control & Decode procesa las instrucciones.
 ROM
 Espacio de Direccionamiento determina cantidad de
instrucciones
 Las salidas son señales de control para ejecutar
una instrucción.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
Control & Decode
Control & Decode
Instrucción
de k bits
n señales de
control para
la instrucción
2k
palabras
n bits por palabra
Arquitectura de Computadores

29. M Bracho 29
Partes de la CPU
Registros de la CPU
Registros de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
Arquitectura de Computadores

30. M Bracho 30
Registros de la CPU
 Un procesador incluye:
 registros visibles para el usuario
 registros de control/estado.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU
 Registros Visibles.
 Pueden referenciarse en las instrucciones.
 Se clasifican en:
 Uso general.
 Datos.
 Direcciones.
 Códigos de Condición
Arquitectura de Computadores

31. M Bracho 31
Registros de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU
¿Cuántos registros de propósito general?
 Óptimo entre 8 y 32
 Pocos registros  demasiados accesos a memoria.
 Muchos registros no reducen considerablemente las
referencias a memoria
 Muchos registros CPU más compleja.
Arquitectura de Computadores

32. M Bracho 32
Registros de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU
¿De cuántos bits deben ser los registros?
 Deben ser de un número suficiente tal que se
puedan manejar las direcciones a memoria.
 Además deben ser capaces de manejar una
palabra completa.
 A veces se combinan dos registros para
conformar uno solo.
Arquitectura de Computadores

33. M Bracho 33
Registros de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU
 Registros Control/Estado.
 controlar el funcionamiento de la CPU
 PC = program counter: contiene la dirección de la
instrucción a captar
 IR = instruction register: contiene la última
instrucción captada
 MAR = memory address register: contiene la
dirección de una posición de memoria.
 MBR = memory buffer register: contiene la palabra
de datos a escribir en memoria, o la palabra leída
más recientemente
Arquitectura de Computadores

34. M Bracho 34
Registros de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU
 Registros Control/Estado.
 Adicionalmente se cuenta con PSW = program
status word:
 Signo: contiene elbit de signo del resultado de última
operación
 Cero: puesto a uno cuando el resultado es 0
 Acarreo: puesto a uno si en la suma hay acarreo o
en la resta hay un adeudo del bit más significativo
 Igual: puesto a uno si el el resultado de una
comparación lógica es la igualdad
 Desbordamiento: Usado para indicar
desbordamiento aritmético
Arquitectura de Computadores

35. M Bracho 35
Registros de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU
 Registros Control/Estado.
 Adicionalmente se cuenta con PSW = program
status word:
(continuación)
 Interrupciones: usado para permitir o inhabilitar
interrupciones
 Supervisor: indica si la CPU funciona en modo
supervisor o usuario. Únicamente en modo
supervisor se pueden ejecutar ciertas instrucciones
privilegiadas y se puede acceder a ciertas áreas de
memoria
Arquitectura de Computadores

36. M Bracho 36
00 LOAD (07)
01 ADD(09)
02 GOTO(0A)
03 1110000000
04 0110011000
05 0000011000
06 0001111000
07 0000000100
08 1111000000
09 0000000101
0A 0000000000
Partes de la CPU
 Ej.
Implementación
modificado
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
memoria
m
u
x
A
L
U
0001111000
registro
00000000
contador
IR
IR
Control &
Control &
Decode
Decode
Señales de
Control
Arquitectura de Computadores

37. M Bracho 37
Partes de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)
 Partes de la CPU.
 Registros
 Program Counter
 Instruction Register
 Uso general
 ALU
 FPU
 Control & Decode
 Buses
 Circuitería
Arquitectura de Computadores

38. M Bracho 38
Resumen
 Distintas arquitecturas
 Partes de la CPU y sus funciones
 Registros
 Visibles
 Control/Estado
 ALU, FPU
 Control & Decode
 Decodificación de instrucciones
 Señales de control
 Buses Internos
 Circuitería
Arquitectura de Computadores
Resumen