El documento presenta una introducción a la arquitectura de computadoras. Explica que la arquitectura actual se basa en los principios de John von Neumann, incluyendo una memoria compartida para datos e instrucciones. Describe los componentes clave de una computadora como la CPU, memoria y buses, así como los diferentes tipos de instrucciones como transferencia, aritméticas y lógicas. Finalmente, introduce conceptos como direccionamiento y lenguajes de máquina.

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ARQUITECTURA DE
COMPUTADORA
Bioingeniería - UNViMe
Introducción
• Un ordenador es una máquina electrónica de proceso de
datos de uso general que trabaja a gran velocidad y con
una gran fiabilidad. Las operaciones que efectúa se le
indican con las instrucciones que componen los
programas.
• La parte física del ordenador se denomina “hardware”, la
parte lógica (datos e instrucciones) se denomina “software”.

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Introducción
• La arquitectura actual de los ordenadores se basa en los
principios de la arquitectura de John Von Newman, que
son:
• Una sola memoria física para los datos y los programas.
• Los contenidos de la misma se direccionan indicando su posición,
sin considerar el tipo de dato contenido en la misma.
• La ejecución de las instrucciones es secuencial, salvo que una
instrucción ordene romper la secuencia (es decir, realizar un bote
dentro del programa).
Arquitectura Von Newman
• La arquitectura de un computador está orientada a
conseguir que este funcione con eficacia al menor coste.
Las funciones básicas de un ordenador son:
• Procesar datos: El ordenador efectúa operaciones aritméticas y
lógicas sobre los datos almacenados en memoria principal.
• Almacenar datos: Guarda los datos sobre los cuales el ordenador
está trabajando.
• Transferir datos: Los datos son transferidos entre el ordenador y
el exterior, y entre sus componentes. La comunicación con el
exterior se realiza utilizando los dispositivos de E/S del ordenador
y la interna utilizando los buses.
• Control: Las tres funciones anteriores son controladas por el
mismo ordenador siguiendo las instrucciones que componen el
programa que ejecuta.

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Arquitectura de Von Newman
• Los componentes de un ordenador con arquitectura de Von
Newman son:
• La memoria: Es donde se almacenan los datos y las instrucciones
que componen los programas. Es vista por el procesador como un
conjunto de compartimentos numerados donde puede leer y escribir
información.
• El procesador: Es el encargado de ejecutar las operaciones
que indican las instrucciones de los programas y controlar el resto
del ordenador para que se cumplan estas instrucciones. Está
compuesto de dos partes:
• La Unidad de Control. Se encarga de descodificar las instrucciones y emitir
las señales de control apropiadas para que se ejecuten.
• La Unidad de ejecución: Es la que realmente ejecuta las operaciones que
indican las instrucciones, conforme a las señales que recibe de la unidad de
control.
• La arquitectura original de Von Newman considera
estas dos unidades como elementos diferentes.
Arquitectura Von Newman
• Los dispositivos de E/S: Proporcionan al ordenador la
comunicación con el exterior y la capacidad de almacenamiento
permanente de información. Ejemplo: El teclado, un disco duro, la
impresora...
• El bus del sistema: Es el elemento que interconecta los
componentes del ordenador y permite la comunicación entre
ellos.

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La memoria
• Almacena los datos y los programas que utiliza el
procesador.
• Existen diferentes tipos de memorias que se diferencian
entre ellas en su capacidad y en la velocidad de acceso.
Siendo las memorias más rápidas, las de menos
capacidad.
• La memoria se organiza de forma jerárquica.
• Esto se consigue gracias al principio de localidad de
referencias, según el cual, un programa al ejecutarse
accede sólo a una pequeña parte de la memoria
durante un periodo relativamente largo.
Memoria

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Memoria
Memoria

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Objetivo
• Conseguir el rendimiento de una memoria de
gran velocidad al coste de una memoria de baja
velocidad. Hay 3 puntos básicos relacionados
con la memoria:
• Cantidad cuanto más memoria haya disponible, más podrá
utilizarse.
• Velocidad óptima para la memoria es la velocidad a la que el
procesador puede trabajar, de modo que no haya tiempos de
espera entre cálculo y cálculo, utilizados para traer operandos o
guardar resultados.
• Coste no debe ser excesivo, para que sea factible construir un
equipo accesible.
Fundamentación
•Principio de Localidad:
• Los programas acceden a una porción relativamente
pequeña del espacio de direcciones en un determinado
lapso de tiempo.
• Localidad temporal - Si un ítem es referenciado en
determinado momento, es común que vuelva a ser
referenciado poco tiempo después
• Localidad Espacial - Cuando un ítem es referenciado en
determinado momento, es común que los ítems con
direcciones “cercanas” también sea accedidos poco
tiempo después.

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Fundamentación
• Tomando ventaja del principio de localidad:
• Construir un sistema con mucha memoria de tecnología baratas
• Proveer acceso a la velocidad ofrecida por las tecnologías más
rápidas
• La DRAM es lenta, pero de alta densidad y barata:
Presenta al usuario un sistema de memoria
GRANDE.
• La SRAM es rápida, pero de baja densidad y cara:
Presentar al usuario un sistema de memoria
RÁPIDO.
El Arte del diseño de un Sistema de Memoria consiste
en Optimizar la organización para minimizar el tiempo
de acceso promedio para las cargas de trabajo típicas
Periféricos
• Los periféricos de E/S (Entrada y Salida) sirven
básicamente para la comunicación de la computadora
con el medio externo.
• Proveen el modo por el cual la información es transferida
de afuera hacia adentro, y viceversa, además de
compatibilizar esta transferencia a través del equilibrio de
velocidad entre los diferentes medios. Entre estos
componentes podemos mencionar el teclado, el monitor y
la impresora.

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Bus de comunicación
• Es el medio de comunicación interno del
ordenador e interconecta todos los componentes del
mismo. Está formado por un conjunto de conductores
eléctricos, por donde circulan las señales que
corresponden a la información que trata el ordenador.
Estos buses internos transportan la información de forma
paralela.

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Bus de comunicación
• Hay tres clases de líneas en un bus:
• Las líneas de datos: Proporciona el camino para transmitir
información (datos e instrucciones) entre los componentes del
ordenador. Suele constar de 32 o 64 líneas distintas (Anchura del
bus).
• Las líneas de direcciones: Indica la fuente o destino del dato
situado en el bus de datos. Los ordenadores actuales tienen
mapeadas en el mismo conjunto de direcciones, las
direcciones de la memoria y de los dispositivos E/S.
• Las líneas de control: Se utiliza para que la CPU controle al resto
de componentes y para sincronizar el acceso y el uso de los buses
de datos y direcciones. A través de este bus se envían señales
como: Lectura Memoria, Escritura E/S, Petición de Interrupción...

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Estructura física de la CPU
• La CPU -Unidad central de proceso- es el elemento del
ordenador encargado de ejecutar las instrucciones que
componen los programas. Para ello, realiza una
serie de operaciones -leer de la instrucción,
interpretarla, buscar los operandos, ejecutar la
operación que indica la instrucción y guardar el resultado
- que componen el ciclo de instrucción.
• La unidad de control
• El reloj del procesador
• Los registros
• La unidad aritmética lógica ALU
La unidad de control
• La unidad de control de la CPU tiene dos funciones:
• El secuenciamiento de instrucciones: Determina la siguiente
instrucción a ejecutar. Detecta los saltos dentro del código
del programa, tanto condicionales como incondicionales, y
actualiza el registro PC para que se efectúen.
• La interpretación de las instrucciones: Decodifica las
instrucciones y genera las señales de control necesarias para que
sean ejecutadas.
• Las CPU actuales contienen más de una unidad de
ejecución y cada una de ellas tiene su propio controlador.
La UC funciona como el supervisor de todas las unidades
de ejecución.

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Los registros
• Es la memoria interna de la CPU, formada por un
conjunto de registros. Es la memoria más rápida del
ordenador y la de menor capacidad. Es utilizada para
almacenar los datos con los que está operando la CPU y
su información de control y estado. Esta memoria se
encuentra en la cima de la jerarquía de memoria de un
ordenador.
• Existen 2 tipos de registros dentro de la CPU:
• Registros de propósito general -GPR-.
• Registros de propósito específico
• El contador del programa -PC-
• El Registro de Instrucción -IR-
• El Registro de dirección de memoria -MAR-
• El Registro intermedio de memoria -MBR-
La unidad aritmético-lógica -ALU-
• Se denomina Unidad Aritmético-Lógica a la unidad
incluida en la CPU encargada de realizar operaciones
aritméticas y lógicas sobre operandos que provienen de
la memoria principal y que pueden estar almacenados de
forma temporal en algunos registros de la CPU.
• Junto con sus registros auxiliares de entrada de los
operandos y de salida del resultado forma la unidad de
ejecución del procesador.
• Las operaciones básicas que realiza una ALU son:
• Operaciones aritméticas: suma, resta y multiplicación.
• Operaciones lógicas: And, or, not y exor.
• Desplazamiento de bits, con o sin mantenimiento del bit de signo.

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ALU
• Funcionamiento:
• La ALU efectúa sus operaciones, una vez que los
operandos ya se encuentran en registros de la CPU, sean
registros de propósito general o el MBR. La UC indica a la ALU
que operación efectuar activando una señal de control, el resultado
de la operación se almacena en un registro acumulador de la ALU.
• Tras cada operación, la ALU actualiza en contenido del
registro de estado del procesador.
Lenguajes de maquina
• El lenguaje máquina es el único lenguaje que puede ejecutar
una computadora. El lenguaje de máquina es un código que es
interpretado directamente por el microprocesador.
• El lenguaje está compuesto por un conjunto de
instrucciones ejecutadas en secuencia (con eventuales
cambios de flujo causados por el propio programa o eventos
externos) que representan acciones que la máquina podrá
tomar.
• Un lenguaje máquina es específico de cada arquitectura de
computadora.
• Todo código fuente en última instancia debe llevarse a un
lenguaje máquina mediante el proceso de compilación o
interpretación para que la computadora pueda ejecutarlo.

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Formato de instrucciones
• Es la representación en binario de cada una de
las instrucciones
• Cada instrucción “contiene” explícitamente o
implícitamente toda la información que necesita
para ejecutarse:
• Código de operación, indica a la UC el tipo de operación, aritmética,
lógica, de transferencia, salto, etc.
• El valor o la posición donde se hallan los operandos
• El lugar donde se tiene que depositar el resultado
• Dirección de la siguiente instrucción a ejecutar
Tipo de instrucciones
• Instrucciones de transferencia
• Instrucciones de bifurcación
• Instrucciones aritméticas y lógicas
• Instrucciones de comparación y de bit
• Instrucciones de desplazamiento
• Instrucciones de entrada/salida
• Instrucciones de control

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Inst. Transferencia
• Copian en el operando destino la
información del operando fuente sin
modificar éste
• No modifican el estado de los flags
• Generalmente transfieren palabras pero pueden mover fracciones
de ellas o bloques enteros
Instrucciones aritméticas y lógicas
• Instrucciones aritméticas:
• ADD: suma sin acarreo
• ADC: suma con acarreo
• SUB: resta sin acarreo
• SBB: resta con acarreo
• MUL: multiplicación sin signo
• IMUL: multiplicación con signo
• DIV: división sin signo
• IDIV: división con signo
• INC: incrementar
• DEC: decrementar
• NEG: cambia de signo dejando el operando en C2
• Instrucciones lógicas:
• AND, NOT, OR, XOR

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Inst. Bifurcación
• Modifican la secuencia normal de ejecución de un
programa
• Actúan sobre el contador de programa (PC), controlan la
secuencia de ejecución de un programa. Son un caso
especial de transferencia, donde el operando destino es
el PC
• Clasificación:
Inst. Bifurcación CALL
• Llamadas a subrutinas: salvan la posición de retorno. Las
instrucciones de salto a la subrutina y de regreso al
programa principal van emparejadas

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Inst. de bifurcación Interrupciones
• Las interrupciones implican una ruptura en la secuencia
del programa saltando al código que da ese servicio y
cuando se ha terminado, se vuelve a la ejecución del
programa en curso
• Pueden ser:
• Interrupciones hardware: son generadas por los circuitos
asociados al microprocesador en respuesta a algún evento como
pulsar una tecla del teclado
• Interrupciones software: son generadas por un programa para
llamar a ciertas subrutinas almacenadas en memoria ROM o RAM.
• Es posible cambiarlas y crear otras nuevas.

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Instrucciones Entrada/Salida
• IN: Transfiere información desde un puerto de entrada a
un registro
• OUT: Escribe información en un puerto de salida desde
un registro
Ej.: Hola Mundo

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Direccionamiento