Ac2003 b 01

Arquitectura de
Computadoras
Clase #1
Introducción

Dr. Wladimir Rodríguez
Departamento de Computación
wladimir@ula.ve
http://sistemas.ing.ula.ve/~wladimir/AC.html

Objetivos
• Conocer y comprender la arquitectura y
organización básica de un computador.

• Conocer y comprender las implicaciones del juego
de instrucciones en el diseño de la ruta de datos y la
unidad de control.

• Conocer y comprender distintas técnicas de
aceleración de la unidad aritmética.

• Conocer y comprender los mecanismos de diseño
de una unidad de control, contrastando los
mecanismos de control cableado con los de control
microprogramado.
Dr. Wladimir Rodríguez 2 Arquitectura de Computadoras

Objetivos

• Analizar y estudiar la jerarquía de memoria
presente en cualquier computador.

• Conocer y comprender el funcionamiento de la
memoria asociativa, entrelazada, cache y virtual.

• Estudiar el sistema de entrada/salida de un
computador.

• Analizar y estudiar la evolución de los sistemas de
buses.


Temario
1. Introducción a la Arquitectura de Computadoras
2. Estructura del Conjunto de Instrucciones
3. Introducción a la Lógica Digital
4. Aritmética para computadoras
5. Técnicas de Implementación de la Unidad Central
de Procesamiento
6. Sistema de Memoria
7. Sistema de Entrada/Salida


Horario

• Clases:
• Jueves: 8 am a 10 am (1O12)

• Viernes: 8 am a 10 am (1O12)

• Consultas:
• Jueves: 10 am a 12 m

• Viernes: 10 am a 12 m

• En el Postgrado en Computación, Tercer Piso, Ala Sur


Evaluación

• Tres exámenes parciales:
• Primer parcial: Temas 1 y 2

• Segundo parcial: Temas 3, 4 y 5

• Tercer parcial: Tema 6 y 7


Bibliografía
• D.A. Patterson, J.L. Hennessy : Organización y
diseño de computadores. Interfaz hardware/
software. MacGraw-Hill, 1995.

• Stallings, W: Organización y Arquitectura de
Computadores. Diseño para optimizar prestaciones.
5 ed. Prentice-Hall, 2000.

• Hamacher; Vranesic; Zaky: Organización de
Computadoras 3ed. McGraw-Hill, 1996.

• Tanenbaum: Organización de Computadoras. Un
Enfoque Estructurado. 4ed. Prentice-Hall, 2000.


Definición

• COMPUTADOR (RAE 1992):
• "Máquina electrónica dotada de una memoria de gran
capacidad y de métodos de tratamiento de la
información, capaz de resolver problemas aritméticos y
lógicos gracias a la utilización automática de
programas registrados en ella."


Computadora como
Fabrica
• Pascal, Babbage, Von Neumann, Wilkes
• Siempre nos olvidamos de Henry Ford
Proceso

Materia Prima Productos

Modelo de Ejecución

Datos, Programa Datos, Programas


Arquitectura de
Computadoras

• Arquitectura (RAE 1992)
• "Arte de proyectar y construir edificios"

• Dos aspectos:

• Ver el edificio desde cómo se ha construido: arquitectura de
estilo gótico

• Ver el edificio desde el uso: arquitectura funcional,
polivalente


Arquitectura de
Computadoras
• Arquitectura de computadoras
• La computadora vista desde el programador

• ¿Qué instrucciones y datos es capaz de procesar? ¿A
qué velocidad?

• Organización de computadoras
• ¿Cómo está organizada por dentro para procesar esos
datos según esas instrucciones?

• Esta materia: Arquitectura y Organización

Arquitectura de
Computadoras
Aplicación
Sistema
Operativo

Software Compilador Firmware

Arquitectura del Conjunto de Instrucciones

Hardware Conjunto de Instrucciones Sistema de E/S

Camino de datos & Control

Diseño Digital

Diseño de Circuitos Arquitectura de Computadoras
Transistores


Niveles de Representación
Programa en temp = v[k];
Lenguaje de Alto v[k] = v[k+1];
Nivel (C, java) v[k+1] = temp;

Compilador

Programa en lw $t0, 0($2)
Lenguaje lw $t1, 4($2)
Ensamblador sw $t1, 0($2)
(MIPS) sw $t0, 4($2)
Ensamblador

Programa en 0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000
Lenguaje de 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110
Máquina (MIPS) 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001
0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111
Interpretación de la Máquina

wire [31:0] dataBus;
Descripción de la regFile registers (databus);
Arquitectura de
ALU ALUBlock (inA, inB, databus);
Hardware (Verilog)
Implementación de la Arquitectura

Descripción de la wire w0;
Circuitos Lógicos XOR (w0, a, b);
(Verilog) AND (s, w0, a);


Los Componentes de una
Computadora
Teclado,
Ratón
Computador
Disco
Procesador Memoria Dispositivos (Donde
residen los
Control Entrada programas
(donde residen y datos
los programas cuando no
Camino
y datos cuando Salida
de Datos
en ejecución) estan en
ejecución)

Pantalla,
Impresora


Tecnología de las
Computadoras
• Procesador
• 2X en velocidad cada 1,5 años (desde ‘85);
100X rendimiento en la última década.

• Memoria
• DRAM capacidad: 2x / 2 años (desde ‘96);
64x tamaño en la última década.

• Disco
• Capacidad: 2X / 1 año (desde ‘97)
250X tamaño en la última década.


Ley de Moore

• El número de transistores se doblara cada 18 meses
(Gordon Moore, cofundador de Intel)

• El POWER5 de IBM tiene “256 millones” de transistores

Lo que ve un Programador
Ver resultados Escribir
Computador programa en
el editor
Memoria

Variables Fuente
CPU
Datos
Instrucciones
Compilar
Direcciones
Sistema
operativo

Compilador Objeto:
Instrucciones
Editor Variables

Solo entiende secuencias de 1's y 0's
- Datos
Introducir datos Ejecutar

- Instrucciones


Modelo de Programación
con mas Detalle


Lo que ve un Arquitecto de
Computadores
Modelo de Von Neumann
Unidad de
Memoria

Unidad
Unidad de Aritmético y Unidad de
Entrada Lógica Salida
(UAL)

Unidad de
Control CPU


Ciclo de Instrucción
• Dos pasos:
• Búsqueda o captura de la instrucción

• Ejecución de la instrucción

Ciclo de Búsqueda Ciclo de Ejecución

Buscar
Ejecutar
Inicio Siguiente Parar
Instrucción
Instrucción


Ciclo de Búsqueda
• El Contador de Programa (PC) contiene la
dirección de la próxima instrucción a ejecutar.

• El procesador lee la instrucción de memoria.
• El PC se incrementa
• Salvo en las instrucciones de salto

• La instrucción se carga en el Registro de
Instrucciones (RI)

• Se interpreta la instrucción y se generan las señales
de control (decodificación de la instrucción)


Ciclo de Ejecución
• Diferentes operaciones.
• Transferencia de procesador a memoria.
• Transferencia de procesador a E/S.
• Procesado de datos
• La ULA (Unidad Lógico Aritmética) efectúa una
operación sobre los datos.

• Instrucciones de control
• Alteran la secuencia del programa
• por ejemplo JUMP

• Combinación de las anteriores

Programa Ejemplo
• CPU con un solo Acumulador (A),
16 bits

• Memoria de 16 bits por posición

• Suma (940) + (941) en (941)

• Lenguaje simbólico Binario

mov A, (940) 1940 (H)

add A, (941) 5941 (H)

mov (941), A 2941 (H)

• Formato de Instrucción


Organización a Nivel de
Bloques y Buses
• Modelo Von Neumann ampliado
• Bus:
• Conjunto de líneas común a varios bloques que permite
la comunicación entre ellos.

UCP
(ULA, Registros Memoria Entrada/Salida
y Control)

Desde el CPU todo
se como direcciones.
El mapa de memoria
es un vector donde el
índice es la dirección

Bus de Datos

Bus de Direcciones

Bus de Control


Interrupciones
• Mecanismo por el cual otros módulos (e.g. I/O)
pueden alterar la secuencia normal de programa
• Ejemplos: En el propio programa
• División por cero
• Temporizadores:
• Con el rebose de un temporizador
• Base de los S.O. multitarea
• I/O
• Del controlador E/S (dato en memoria)
• Supervisión de Hardware
• Error de paridad (dato en memoria)

Interrupciones

UCP
(ULA, Registros Memoria Entrada/Salida
y Control)

Bus de Datos

Bus de Direcciones

Bus de Control

Línea de Interrupción


Ejemplo de Computador
Personal
Procesador
Display
Gráfico Procesador Cache

Controlador Controlador
Memoria Memoria
de de PCI
Gráfica Principal
Memoria E/S

D
A
i B
U L u
s I
S A d
c O
B N i
o S
o
s


Arquitectura de Buses
Tradicional
Bus Local
Procesador Cache

Controlador
Memoria de E/S local
Principal

Bus del Sistema

Interfase bus
de
Disco Serial
expansión
SCSI Modem

Bus de Expansión


Arquitectura de Buses de
Altas Prestaciones
Memoria
Principal

Bus Local
Cache/
Procesador Bus del Sistema
Puente

SCSI Fire Wire Gráficos Video LAN

Bus del Alta Velocidad

Interfase bus
FAX de Serial
expansión
Modem

Bus de Expansión


Ejemplo Pentium IV


Ejemplo PowerMacG4


Ejemplo PowerMacG5
1. Frontside bus de 1GHz

2. Frontside bus de 1GHz

3. Bus gráfico AGP 8X Pro

4. Controlador de Sistema

5. Memoria doble canal de
400MHz

6. PCI-X de 133MHz

7. E/S de altas prestaciones

8. Almacenamiento ATA
serial


Ejemplo Sony Playstation
2


Niveles de Estudio de un
Computador
• Centrado en la UCP

• Nivel de Usuario: programas de aplicación

• Lenguaje de alto nivel
Ensamblador / Código máquina Arquitectura
• Microcódigo
Organización
Unidades funcionales: memoria, ULA, buses

• Puertas lógicas
Transistores y conexiones
•
• Falta incorporar la Entrada y Salida
• Y el Sistema Operativo

Conexión con el Sistema
Operativo
Programas de usuario y aplicaciones

Llamadas al sistema

Control de dispositivos Núcleo del SO

Disp. de Disp. de Disp. de Window Control de
Caracter Bloques RED Manager
Dispositivos

Sistema
Teclado Discos RED
Gráfico


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