Describe la arquitectura de ordenadores

1. TEMA 4: ARQUITECTURA DEL
COMPUTADOR
4.1 Arquitectura de Von Neumann
Tecnologías de la Información y la Comunicación
1º Bachillerato

2. Introducción
• Un ordenador es una máquina electrónica que
sirve para procesar información digital. La
información digital es aquella que puede
expresarse en términos de 0 y 1, es decir, en el
sistema binario de numeración.
• Si partimos de una información analógica, como
una fotografía en papel, es necesario digitalizarla
previamente antes de introducirla en el
ordenador; en este caso mediante un escáner.

3. Funcionamiento básico
• El funcionamiento básico de un ordenador puede expresarse mediante el siguiente
esquema:

4. Funcionamiento básico
• Debemos suministrar unos datos de entrada al
ordenador. Estos datos deben estar en formato
digital y podemos suministrárselos de varias
formas:
– Desde dispositivos de entrada, como el ratón, el
teclado, o un escáner.
– Desde unidades de almacenamiento de datos, como
un disco duro, una unidad óptica (CD-ROM, DVDo Blu-
Ray), una memoria flash, etc.
– A través de una conexion de red, como una red local
o Internet.

5. Funcionamiento básico
• El ordenador procesa dichos datos de entrada
de acuerdo con las instrucciones del programa
que se esté ejecutando en ese momento.
• El procesamiento de datos puede consistir en
realizar cálculos con ellos, o en transferirlos de
un lugar a otro.

6. Funcionamiento básico
• Esta labor la realiza, fundamentalmente, el
microprocesador, que actúa como Unidad
Central de Procesamiento (CPU). Pero también
intervienen:
– La memoria RAM, almacenando temporalmente los
datos y las instrucciones.
– La tarjeta grafica, que incluye su propio procesador y
su propia memoria RAM.
– El chipset, que controla el flujo de datos entre el
microprocesador, la tarjeta gráfica y el resto de los
dispositivos (monitor, disco duro, etc).

7. Funcionamiento básico
• Como consecuencia del procesamiento de los
datos por parte del ordenador, éste obtiene
un resultado, que llamamos datos de salida.
• Estos datos pueden mostrarse en la pantalla
del monitor, enviarse a una impresora,
almacenarse en el disco duro, etc.

8. Inicios de la computación
• Alan Turing
– Máquina teórica compuesta por una cinta y una
cabeza que puede leer y grabar símbolos en ella.
– Un conjunto finito de estados
– Un programa “cableado” del tipo (condición, acción)
• Máquina universal de Turing.
– Máquina (teórica) capaz de simular el
comportamiento de cualquier maquina (de Turing) a
partir de un programa ingresado en la cinta.

9. Inicios de la computación
• Antes: programar era conectar cables…
• Hacer programas era más una cuestión de
ingeniería electrónica.
• Cada vez que había
que calcular algo
distinto había que
reconectar todo.

10. Von Neumann
• 1903 – 1957
• Matemático
• Publicó y publicitó la idea de
programa almacenado en
memoria.
• 1945: “Primer Borrador de un Reporte sobre
la EDVAC”

11. Arquitectura de Von Neumann
• Los datos y programas se almacenan en una
misma memoria de lectura-escritura
• Los contenidos de esta memoria se
direccionan indicando su posición sin importar
su tipo
• Ejecución en secuencia (salvo que se indique
lo contrario)
• Representación Binaria

12. Arquitectura de Von Neumann
• 3 componentes principales:
 CPU:
Unidad de Control, Unidad aritmético lógica (ALU),
Registros
 Memoria principal:
Almacena programas y datos
 Sistema de Entrada/Salida
• Procesamiento secuencial de instrucciones
• Datos binarios
• Un sistema de interconexión
Conecta la memoria y unidad de control
Fuerza la alternación entre ciclos de lectura y ejecución

13. Arquitectura de Von Neumann

14. CPU
• Control Processing Unit, es la Unidad de
Procesamiento Central.
• Es el componente encargado de llevar a cabo
el proceso de la información y regular la
actividad de todo el sistema del ordenador.
Está formada por:
 Unidad de control (UC). En inglés CU.
 Unidad aritmético-lógica (UAL). En inglés ALU.
 Registros o zonas de almacenamiento.
 Memoria caché

15. CPU

16. CPU
• ALU (Arithmetic Logic Unit), es la Unidad
Aritmético-Lógica.
• Realiza operaciones matemáticas y lógicas
Sumas, restas, multiplicaciones
And, Or, Xor, Not
Desplazamientos

17. CPU
• CU (Control Unit), es la Unidad de Control
• Controla todos los componentes
• Interpreta instrucciones
Decodifica y Ejecuta instrucciones. Transforma
instrucciones en órdenes a otros componentes
Puede ser programada por hardware (cableada) y
“microprogramada” (varias microinstrucciones por
instrucción)

18. CPU
• Registros
• Almacenan datos binarios, acceso rápido
• De tamaño fijo
• De propósito general (programas) o
específicos (acumulador, program counter,
puntero a memoria, etc.)
• Sistema de almacenamiento más rápido que
existe en el computador.

19. CPU
• Circuito integrado formado por millones de transistores, cuya
función es procesar los datos, controla el funcionamiento de
todos los dispositivos del ordenador realiza operaciones
logico-matematicas.
• El área ocupada por dicho circuito viene a ser un cuadrado de
1 cm de lado, pero la gran cantidad de patillas de conexión
que necesita para conectarse a la placa base, hace que su
tamaño total sea mayor.
• Es la parte más importante del ordenador. Es algo así como “el
cerebro” del ordenador.

20. CPU
• La información que procesa la CPU se la
suministra la memoria RAM (ver más adelante),
es decir, que la CPU no ejecuta programas ni
procesa datos desde los dispositivos de
almacenamiento, sino que sólo puede hacerlo
desde la memoria RAM, motivo por el que
previamente ha de cargarlos en memoria.
• Durante su trabajo el microprocesador genera
una gran cantidad de calor que es necesario
evacuar mediante un disipador térmico y un
ventilador

21. CPU
Principales magnitudes:
• La frecuencia de reloj, que determina el ritmo de
trabajo del procesador . Se mide en hercios (Hz).
Un hercio equivale a un ciclo de reloj por
segundo. Los procesadores actuales trabajan a
frecuencias de reloj del orden de millones
dehercios (megahercios, MHz) o incluso de miles
de millones de hercios (gigahercios, GHz). El
procesador Pentium 4 trabaja hasta a3,4 GHz.

22. CPU
• El numero de transistores que contiene. Cuanto mayor sea
este número, mayor será la capacidad de trabajo del
procesador. El procesador Intel Core Sandy Bridge que trabaja
a 3,2 GHz contiene 995 millones de transistores.
• La tecnología de proceso, que determina la anchura de las
pistas que unen los diferentes transistores. Algunos
procesadores actuales tienen pistas de 32 nanómetros (una
nanómetro es la millonésima parte de un milímetro). Es
necesario reducir el ancho de las pistas para conseguir
procesadores de mayor número de transistores y una
frecuencia de reloj más alta.

23. CPU
• El numero de bits que puede transmitir simultáneamente
en sus operaciones. El primer procesador para PC, el 8088
(de 1979) trabajaba con 16 bits. Actualmente existen
procesadores de Intel y AMD que trabajan con 64 bits,
aunque la mayoría son de 32 bits.
• La memoria cache. Se trata de una pequeña memoria
incluida en el propio procesador. Su función es actuar como
memoria intermedia entre la memoria RAM y el núcleo
del procesador, almacenando los datos y las instrucciones
con los que va a trabajar el procesador de forma más
inmediata.

24. CPU
• La frecuencia del bus frontal (FSB). El FSB
(Front Side Bus) es el canal de datos que
comunica al procesador con la memoria RAM
a través del puente norte. Cuanto mayor sea la
frecuencia de trabajo (expresada en MHz)
mayor cantidad de datos por segundo se
podrán transferir entre la memoria y el
procesador.

25. CPU
• Número de núcleos del procesador. Mientras
más núcleos más capacidad de
«procesamiento paralelo».
• Idealmente un procesador de 8 núcleos
debería ejecutar un programa en la octava
parte de tiempo que un procesador de la
misma frecuencia y un solo núcleo.

26. Reloj
• El reloj interno es un componente del microprocesador
que emite una serie de pulsos eléctricos a intervalos
constantes llamados ciclos.
• Estos ciclos marcan el ritmo que ha de seguirse para la
realización de cada paso de que consta la instrucción.
• Se basa en la teoría binaria para marcar el ritmo
(también denominado pulso), el cual se considera
como 1 al estado de encendido y 0 como al estado de
apagado.
• La velocidad del cambio se denomina frecuencia y se
mide en hercios (Hz).

27. Buses
• Una vía comunicación que conecta 2 o más
dispositivos
• En general “broadcast” (todos lo ven)
• En general agrupados
Varios canales en un grupo.
Ej: Bus de datos de 32 bits, son 32 canales de 1
bit.

28. Bus del Sistema
• Un procesador necesita comunicarse con los
distintos elementos del sistema. Al canal
utilizado para esta comunicación se le
denomina bus del sistema.
• ¿Cómo funciona? Cuando el procesador
quiere acceder a un dispositivo lanza unos
comandos usando este bus. El receptor
responde devolviendo la información
solicitada.

29. Bus del Sistema
• Bus de Datos
• Transfieren información
• Su tamaño es un punto clave en el rendimiento
del sistema
• 8, 16, 32, 64 bits

30. Bus del Sistema
• Bus de Direcciones
• Identifican la fuente o destino de un dato
• Ej: la CPU necesita leer una instrucción (dato)
de una locación en memoria
• Su tamaño determina la capacidad máxima de
memoria del sistema
• Ej: el Intel 8080 tiene 16 bit => 216 = 26 x 210 =
64 Kb de espacio direccionable.

31. Bus del Sistema
• Bus de Control
• Control y sincronización
Señal de lectura escritura a memoria
Señales del reloj
Solicitud de interrupción

32. Arquitectura 32 bits
• Hasta hace bien poco
• Registros, Bus de datos, Bus de direcciones y
Bus de control todos de 32 bits.
• Números enteros, direcciones de memoria,
imágenes digitales todos de 32 bits.
• Máxima memoria direccionable:
32 bits = 232 = 22 x 230 = 4 Gb

33. Arquitectura 64 bits
• En los computadores de la generación actual.
• Registros, Bus de datos, Bus de direcciones y
Bus de control todos de 64 bits.
• Números enteros, direcciones de memoria,
imágenes digitales todos de 64 bits.
• Máxima memoria direccionable:
64 bits = 264 = 24 x 260 = 16 Eb (Exabit)

34. Jerarquía de memoria

35. Memoria Caché Nivel 1 (L1)
• Se encuentra en el núcleo del microprocesador. Es utilizada
para acceder a datos importantes y de uso frecuente, es el
nivel en el que el tiempo de respuesta es menor.
• Capacidad es de hasta 128 kb. Este nivel se divide en dos:
• Nivel 1 Data Cache: Se encarga de almacenar datos usados
frecuentemente y cuando sea necesario volver a utilizarlos,
accede a ellos en muy poco tiempo, por lo que se agilizan
los procesos.
• Nivel 1 Instruction Cache: Se encarga de almacenar
instrucciones usadas frecuentemente y cuando sea
necesario volver a utilizarlas, inmediatamente las recupera,
por lo que se agilizan los procesos.

36. Memoria Caché Nivel 2 (L2)
• Se encarga de almacenar datos de uso
frecuente. Es más lenta que la caché L1, pero
más rápida que la memoria principal (RAM).
• Se encuentra en el procesador, pero fuera del
núcleo.
• Genera una copia del nivel 1. Su capacidad es
de hasta 1 Mb.

37. Memoria Caché Nivel 3 (L3)
• Esta memoria se encuentra en algunos
procesadores modernos y genera una copia a la
L2.
• Es más rápida que la memoria principal (RAM),
pero más lenta que L2.
• En esta memoria se agiliza el acceso a datos e
instrucciones que no fueron localizadas en L1 o
L2.
• Es generalmente de un tamaño mayor y ayuda a
que el sistema guarde gran cantidad de
información agilizando las tareas del procesador.

38. Memoria Principal
• La memoria RAM es donde el ordenador
almacena temporalmente los datos y los
programas con los que está trabajando en un
momento dado. Todo lo que hay en ella
almacenado se borra cuando apagamos o
reiniciamos el ordenador.
• La memoria RAM es un componente
imprescindible para el ordenador. Almacena
temporalmente las instrucciones y los datos para
que la CPU pueda procesarlos.

39. Memoria principal
• Se puede comparar a un gran casillero. Cada
casilla, denominada posición de memoria,
esta formada por ocho bits de forma que en
ella se puede escribir un caracter (un byte).
• El microprocesador debe saber exactamente
la posición en memoria de cada dato, por lo
que las posiciones están identificadas por un
numero denominado dirección de memoria.

40. Memoria principal

41. Memoria principal

42. Memoria principal
Las características principales de la memoria RAM son:
• La capacidad para almacenar datos, expresada en MB o GB.
Existen módulos de distintas capacidades (128 MB, 256 MB,
512 MB, 1 GB y 2 GB).
– Es preferible adquirir un ordenador con toda la memoria
RAM concentrada en un solo módulo, para disponer de
más ranuras libres, por si queremos ampliar la memoria
RAM en un futuro.
– La capacidad de un módulo de memoria viene
determinada por la capacidad de cada chip y por el
número de chips que incluya, que puede variar entre 2 y
16 (8 por cada cara).

43. Memoria principal
• El tipo de memoria. Actualmente, la mayoría de los ordenadores
utilizan memorias del tipo DDR-SDRAM. El prefijo DDR significa
Double Data Rate, es decir, doble tasa de datos, porque es capaz de
transferir 2 paquetes de datos por cada ciclo de reloj (las antiguas
memorias SDR-SDRAM sólo transferían 1 paquete de datos por
cada ciclo de reloj).
– También existen módulos del tipo DDR2-SDRAM, que funcionan
de forma semejante a los DDR, pero transfiriendo 4 paquetes de
datos por cada ciclo de reloj (Figura 12).
– La DDR3- SDRAM transfiere paquetes de datos más rápido que
las dos anteriores y permite usar integrados de 512 MB a 8 GB,
siendo posible fabricar módulos de hasta 16 GB.

44. Memoria principal
• La velocidad de trabajo, expresada en MHz.
Hay que distinguir entre la frecuencia de reloj
a la que trabaja la memoria (frecuencia
interna) con la frecuencia a la que transmite
los paquetes de datos (frecuencia externa
efectiva).

45. Memoria principal