Un sistema computacional es una plataforma sobre la cual se construyen los llamados sistemas de información, hoy en día, necesarios para la administración exitosa de cualquier organización

1. Sistema computacional
(Arquitecturas y Memorias)
Msc. Ing. Jairo E. Márquez D.

2. Estructura de un sistema computacional
Un sistema computacional es una plataforma sobre la
cual se construyen los llamados sistemas de información,
hoy en día, necesarios para la administración exitosa de
cualquier organización.
Un sistema de computación puede
dividirse en cuatro componentes:
• Hardware
• Sistema operativo
• Programas de aplicación
• Usuarios

3. • El hardware, conformado por la
Unidad Central de Procesamiento
(CPU), la memoria y dispositivos
de entrada/salida (E/S),
proporcionan los recursos de
computación básicos.
• Los programas de aplicación
definen la forma en que estos
recursos se emplean para
resolver los problemas de
computación de los usuarios.

4. • Se pueden dividir en programas de sistemas como
compiladores, assembler, editores, herramientas
de monitoreo y mantención; y en aplicaciones
propiamente dichas como sistemas de bases de
datos, juegos de video, programas para negocios,
navegadores, etc.

5. • El sistema operativo se encuentra almacenado en
la memoria secundaria.
• Primero se carga y ejecuta un fragmento de código
que se encuentra en el procesador, el cual carga el
BIOS, y este a su vez carga el SO que carga todos
los programas de aplicación y software variado.
• Como la función principal de un SO es aliviar las
tareas de entrada y salida de un sistema
computacional. También implica los mecanismos
de protección que provee la CPU para el SO.

6. Operación de un sistema computacional
• Un sistema computacional consiste en una CPU y
un número de dispositivos que tienen acceso a
una memoria común vía un bus de interconexión.
• Los controladores de dispositivos se encargan de
determinados dispositivos: discos, audio, mouse,
módem, etc.

7. • La CPU y los dispositivos pueden actuar en forma
concurrente. Sólo compiten por el acceso a la memoria
que es común.
• El controlador de memoria provee un acceso sincronizado a la
memoria RAM.

8. Partida• En la partida se necesita un programa inicial.
Este programa se llama bootstrap.
• El bootstrap inicializa todo el sistema:
registros de CPU, controladores de
dispositivos, memoria, etc.
• El primer proceso que ejecuta el S.O. Se llama
init. Init espera la ocurrencia de algún evento.

9. Interrupciones
• Una interrupción es un evento que altera la secuencia en
que el procesador ejecuta las instrucciones.
• La interrupción es generada por el hardware del sistema de
cómputo.
• El sistema de interrupciones es una parte muy importante
de la arquitectura de un computador.
• Los SOs modernos son sistemas que reaccionan ante
interrupciones, es decir, si no hay E/S, ni procesos
ejecutándose, el SO está quieto y atento a que ocurra
alguna interrupción.

10. Arquitectura de von Neumann
• Los sistemas con microprocesadores se basan en esta arquitectura,
en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una
memoria principal única (casi siempre sólo RAM) donde se guardan
las instrucciones del programa y los datos.
• A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único
(control, direcciones y datos).

11. • El tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del
bus que comunica la memoria con la CPU.
• Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar
datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud.
El tener un único bus hace que el
microprocesador sea más lento en
su respuesta, ya que no puede
buscar en memoria una nueva
instrucción mientras no finalicen
las transferencias de datos de la
instrucción anterior.

12. • La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos,
que hace que el microprocesador tenga que realizar varios accesos a
memoria para buscar instrucciones complejas.
• La limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para
datos e instrucciones que no deja acceder simultáneamente a unos y
otras, lo cual impide superponer ambos tiempos de acceso

13. • Unidad aritmético lógica (ALU, Arithmetic-Logic Unit) es el dispositivo
diseñado y construido para llevar a cabo las operaciones aritméticas y lógicas
(and, or, NO), y operaciones de comparación o relacionales. En esta unidad
es en donde se hace todo el trabajo computacional.
• Unidad de control (UC) sigue la dirección de las posiciones en memoria que
contienen la instrucción que el computador va a realizar en ese momento;
recupera la información poniéndola en la ALU para la operación que debe
desarrollar. Transfiere luego el resultado a ubicaciones apropiadas en la
memoria.
• Registros: de datos, de memoria, registros constantes, de coma flotante, de
propósito general, de propósito específico.
CPU, Central Processing Unit.
Consta de los siguientes tres
elementos:

14. La arquitectura Von Neumann realiza o emula los siguientes pasos
secuencialmente:
1) Obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección
indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de
instrucción.
2) Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción
para apuntar a la siguiente.
3) Descodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se
encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para
realizar una función determinada.
4) Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador
del programa, permitiendo así operaciones repetitivas.
5) Regresa al paso N° 1.

15. • Un procesador hardware extrae sucesivamente de la memoria
principal las instrucciones que forman un programa y las va
decodificando, interpretando y ejecutando.
• Un procesador hardware tiene, como mínimo, dos modos de
funcionamiento: modo supervisor y modo usuario.
Skylake-S , Kaby
Lake-S, U

16. • Cuando está en modo usuario no permite ejecutar ciertas operaciones.
• Si un programa contiene una instrucción que implica alguna de esas
operaciones y se ejecuta en modo usuario, al llegar a esa instrucción el
procesador aborta la ejecución de ese programa y pasa al modo supervisor.

17. Arquitectura Harvard
Este modelo utiliza los Microcontroladores PIC,
tiene la unidad central de proceso (CPU)
conectada a dos memorias (una con las
instrucciones y otra con los datos) por medio de
dos buses diferentes.

18. Ambos buses son
totalmente independientes
lo que permite que la CPU
pueda acceder de forma
independiente y simultánea
a la memoria de datos y a la
de instrucciones.
Una de las memorias contiene solamente las
instrucciones del programa (Memoria de Programa), y
la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos).

19. • Como los buses son independientes estos pueden tener distintos
contenidos en la misma dirección y también distinta longitud.
• También la longitud de los datos y las instrucciones puede ser
distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general.

20. Ventajas de esta arquitectura:
• El tamaño de las instrucciones no está
relacionado con el de los datos, y por lo tanto
puede ser optimizado para que cualquier
instrucción ocupe una sola posición de
memoria de programa, logrando así mayor
velocidad y menor longitud de programa.
• El tiempo de acceso a las instrucciones puede
superponerse con el de los datos, logrando una
mayor velocidad en cada operación.

22. Memorias
• Es el dispositivo que retiene, memoriza o
almacena datos informáticos durante algún intervalo de
tiempo.
• La memoria proporciona una de las principales funciones
de la computación moderna: el almacenamiento de
información y conocimiento.
• Es uno de los componentes fundamentales de
la computadora, que interconectada a la CPU y
los dispositivos de entrada/salida, implementan lo
fundamental del modelo de computadora de
la arquitectura de von Neumann.

23. En la actualidad, la memoria suele referirse a
una forma de almacenamiento de estado sólido,
conocida como memoria RAM (memoria de
acceso aleatorio; RAM, random access memory)

24. Comparación de tecnologías de memoria

26. • La memoria principal es la que alberga
los programas en ejecución, y para su
implementación se hace necesario
combinar varias tecnologías de
memoria.
• Para que el procesador no tenga que
esperar, la memoria principal debe ser
obligatoriamente de acceso aleatorio
y, a ser posible, que tenga un tiempo
de acceso compatible con la velocidad
del procesador.
• La memoria más rápida y más cercana
al procesador, implementada
actualmente con tecnología SRAM, se
llama memoria cache.

31. Los demás buses son estándares: PCI (Peripheral Component Interconnect), PCIe
(PCI Express), USB (Universal Serial Bus), SATA (Serial Advanced Technology
Attachment) y LPC (Low Pin Count).

32. Conexión de periféricos mediante buses

33. • Tanto la memoria principal como la cache son volátiles, son
de lectura y escritura y acceso aleatorio y en ambas se
puede acceder a un byte o a varios bytes (una «palabra») en
una sola operación.
• Se llama espacio de direccionamiento al conjunto de
direcciones generado por un procesador al ejecutar un
programa.

34. Memorias secundarias
• En la memoria secundaria se guardan
todos los programas, estén en
ejecución o no.
• Emplea una tecnología de lectura y
escritura no volátil, para que los
programas permanezcan sin necesidad
de alimentación eléctrica.
• Lo idóneo es la tecnología de discos
magnéticos, aunque en algunos
equipos se sustituyen por memorias
flash (SSD, Solid State Disks).

35. Memorias terciarias
• Son aquellas cuyo
almacenamiento no está
conectados permanentemente
y que precisa de una
intervención humana (insertar
un CD/DVD, USB, Micro), o bien
de un sistema robótico (en
grandes archivos digitales).
• La tecnología más común para
grandes volúmenes de datos es
la de cintas magnéticas.

36. Jerarquía de memorias
• La primera puede resolverse mediante
hardware, con las caches, pero para la
segunda no hay una tecnología disponible.
• Un candidato actualmente es flash, pero
sigue habiendo una brecha (menor) y tiene
algunos inconvenientes (ser más lenta en
escritura y tener un número máximo alto
pero limitado de escrituras).
• La solución es mediante software: una
cache de disco, que consiste en tener
copiadas en zonas de la memoria principal
las partes más utilizadas del disco.