Capitulo 1 –Fundamentos de Computadores - I.T.Telecomunicación - Segundo cuatrimestre.
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INTRODUCCIONA
LOSFUNDAMENTOS
DE
COMPUTADORES
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PRIMERA APROXIMACION AL CONCEPTO DE COMPUTADOR
• Computador: máquina que procesa la información para obtener unos
resultados. • La información a procesar puede ser:
• Almacenada previamente en el computador • Introducida desde el exterior.
Periférico de entrada Procesador Periférico de salida
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• Programa: Conjunto ordenado de instrucciones que debe ejecutar el
computador sobre los datos para resolver una aplicación.
• Semejanza del computador con una factoría con diversas secciones que se dedica a la obtención de productos terminados (resultados) mediante la transformación y manipulación de materias primas (datos).
• Almacenes: Memoria principal. • Oficina técnica: Unidad de control. • Líneas de producción: Camino de datos y Unidad Operativa.
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PERIFÉRICO DE ENTRADA
PERIFÉRICO DE SALIDA
MEMORIA PRINCIPAL
ALMACEN DE DATOS E
INSTRUCCIONES
UNIDAD DE
CONTROL
CAMINO DE
DATOS
UCP
CUATRO BLOQUES FUNDAMENTALES QUE CONSTITUYEN EL COMPUTADOR
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• Finales del siglo XX : Revolución de la información. • Informática: Estudia el tratamiento racional y mecanizado de la información. • Operaciones básicas que se pueden aplicar a la información:
• Recogida de datos • Depuración • Almacenamiento • Proceso aritmético o lógico (resultados numéricos o no) • Distribución y transmisión
• Tipo de representación es binaria. (“1” nivel lógico alto, “0” nivel lógico bajo) • Datos alfanuméricos: cadenas de caracteres formados por letras, números y
signos especiales. (representados por Códigos ASCII)
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LA MAQUINA PROGRAMADA DE VON NEUMANN • Babbage, 1883- Idea de Máquina de propósito general. • Comienzos siglo XX: Fleming descubrió la válvula de vacío (Desarrollo de la
electrónica) • Proyecto ENIAC: Dirigido por Mauchly. Máquina de 30 toneladas, 16000m2 ,
17000 válvulas, 100 kw, 100 khz. Capaz de sumar, restar, multiplicar y dividir. E/S mediante tarjetas perforadas.
• John Von Meumann transforma el ENIAC en el EDVAC, con tres novedades:
• Concepto de memoria. (máquina de programa almacenado) • Uso del sistema binario propiciado por válvulas de vacío. • Instrucciones de salto condicional.
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MEMORIA PRINCIPAL
INSTRUCCIO-NES
Y DATOS
UNIDAD DE
ENTRADAS
Y SALIDAS
UNIDAD
DE
CONTROL
CAMINO
DE
DATOS
UCP
PERIFERICOS
GENERADOR DE IMPULSOS DE RELOJ
MAQUINA DE VON NEUMANN
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DESARROLLOS COMERCIALES • 1947 Eckert-Mauchly Corporation. Primera máquina BINAC. • 1951 E-M, adquirida por Remington-Rand. UNIVAC I • 1952 IBM 701, primer computador de IBM • 1964 System/360 IBM apuesta por una familia de ordenadores • 1965 DEC PDP-8 primer miniordenador comercial. Bajo coste • 1963 Primer Supercomputador. CDC 6000. Seymour Cray • 1976 CRAY-1 • 1977 Primer ordenador personal Apple-II • 1981 IBM Personal Computer (Intel y Microsoft)
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LAS INSTRUCCIONES
• Dos tipos de información en memoria principal: Instrucciones y datos.
• Se diferencian en el lugar del computador donde se manipulan • Tamaño de bits con el que habitualmente se trabaja (ejemplo):
• 8 bits: BYTE • 16 bits: PALABRA • 32 bits: DOBLE PALABRA • 64 bits: CUADRUPLE PALABRA
TRATAMIENTO DE LAS INSTRUCCIONES
• Formato de las instrucciones: CODIGO OP. OPER 1 OPER 2 RESULTADO
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FASES DE LA EJECUCION DE UNA INSTRUCCION
• FASE DE BUSQUEDA DE LA INSTRUCCION • FASE DE DECODIFICACION • FASE DE BUSQUEDA DE OPERANDOS • FASE DE EJECUCION • FASE DE ESCRITURA DEL RESULTADO
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UC
PC BUS DIRECCIONES
INSTRUCCIONES
MEMORIA PPALBUS DATOS
RI
UC 1º FASE: BUSQUEDA DE INSTRUCCION
2º FASE: DECODIFICACION
INSTRUCCIONES RI
DECODIFICACION UC
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3º FASE: BUSQUEDA DE OPERANDOS
DIRECCION OPERANDO 1 DIRECCION OPERANDO 2
UC
BUS DIR
BUS DIR
OP 1 OP2
BUS DAT
BUS DAT
4º FASE: EJECUCION
OPER 1 OPER 2
CAMINO DE DATOS
ALU RESULTADO
SEÑALES CONTROL
5º FASE: ESCRITURA DEL RESULTADO
DIRECCION RESULTADO
UC BUS DIR
MEMORIA PPAL
RESULTADO
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TIPOS DE INSTRUCCIONES
• Más instrucciones ==más bits en el código de operación. • Dos tendencias:
• RISC- Reduced Instruction Set Computer ( pocas, sencillas, 1 ciclo reloj)
• CISC- Complex Instruction Set Computer (muchas, complejas, varios
ciclos de reloj) • Tiempo que dedica un computador a ejecutar una instrucción se mide en
nanosegundos (10 –9 segundos)
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CLASIFICACION DE INSTRUCCIONES • Instrucciones de TRANSFERENCIA: Mueven información entre posiciones de
memoria principal y/o registros. • Instrucciones ARITMETICAS: Efectúan básicamente sumas y restas binarias. • Instrucciones LOGICAS: Realizan las funciones lógicas AND, OR, XOR de dos
operandos binarios. • Instrucciones de salto: Rompen la ejecución ordenada de las instrucciones.
• En vez de incrementar el CP, lo cargan con valores aleatorios. • Pueden ser incondicionales y condicionales.
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LENGUAJES DE PROGRAMACION • INSTRUCCIONES MAQUINA: Instrucciones expresadas con ceros y unos. • SURGEN LENGUAJES DE PROGRAMACION: Se representan con
abreviaturas adivinables. • Ejemplo: 1100 1100 1101 1100 ADD (SUMA) • Necesitan un programa traductor a ceros y unos.
• CLASIFICACION DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACION:
• Lenguaje de bajo nivel (l.máquina) o ENSAMBLADOR (NEMÓNICOS)
• Lenguaje de Alto nivel • Disponen de instrucciones diferentes de las que interpreta la
máquina. Se descomponen. • Ventaja: portabilidad. (Usando distintos compiladores, ejecuto en
distintas máquinas)
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LOS DATOS: OPERANDOS Y RESULTADOS • DATOS: Expresiones binarias almacenadas en memoria principal utilizadas
por las instrucciones como operandos de entrada o resultados. • El tamaño de “palabra” suele ser función directa del tamaño del bus de datos. • TIPOS DE DATOS más usuales:
• ENTEROS Y ORDINALES • Números con y sin signo reconocidos por instrucciones
aritméticas.
• NUMEROS BCD • Codifican los dígitos decimales en binario mediante 4 bits.
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• CADENAS DE CARACTERES • Representan texto mediante el uso de letras, números y signos
especiales. (Ej: código ASCII)
• CAMPO DE BITS • Conjunto de bits que puede ser manipulado por ciertas
instrucciones.
• PUNTERO DE DIRECCIONES • El dato hace referencia a una dirección de memoria.
• COMA FLOTANTE
• Expresiones numéricas en coma flotante con instrucciones que las tratan.
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INFLUENCIA DE LA TECNOLOGIA EN LA CLASIFICACION DE LOS COMPUTADORES
• Clasificaciones a menudo basadas en potencia de procesamiento. • Parámetro del que depende la potencia: velocidad o frecuencia de trabajo. • Cada tres años se duplica la frecuencia de trabajo de los microprocesadores. • Posible clasificación:
• MICROCOMPUTADOR PERSONAL • MICROCOMPUTADOR PROFESIONAL • ESTACION DE TRABAJO • MINICOMPUTADOR • COMPUTADOR (MAINFRAME) • SUPERCOMPUTADOR
• Clasificaciones cambian en poco tiempo.
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INFLUENCIA DE LA TECNOLOGIA EN LA CLASIFICACION DE LOS COMPUTADORES (II)
• Medida: MIPS Dhrystone: Millones de instrucciones por segundo según las
pruebas normalizadas Dhrystone. • Aumento de potencia impulsado por:
• Avances tecnológicos
• Nuevas implementaciones arquitectónicas.
• Progresos en el software y su impacto en los compiladores. • Las mayores aportaciones, en microcomputadores confluencia del
rendimiento.
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EL IMPACTO TECNOLOGICO EN LA ESTRUCTURA DE LOS COMPUTADORES
PRIMERA ETAPA Nacimiento_ Von Neuman • Implementación: válvulas de vacío. • Velocidad similar de UCP y Memoria principal - Rendimiento óptimo. SEGUNDA ETAPA • Distanciamiento en características de UCP y Memoria principal.
• UCP: circuitos integrados SSI Y MSI. • Memorias: núcleos de ferrita. (velocidad 10 veces inferior)
• Surgen computadores CISC (Microprogramadas Memoria de control) • Reduce el nº de accesos a memoria. • Rendimiento supeditado a la memoria de control.
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TERCERA ETAPA • Aumento en la densidad de integración (memorias electrónicas más
rápidas) • Aparición de Memoria Caché.
• Almacena las instrucciones que mas frecuentemente utiliza la UCP. • Decaen los CISC porque ahora se tarda más en decodificar que en
acceder a memoria. CUARTA ETAPA Mejoras de la velocidad de la UCP: 1) Eliminación de la microcodificación. Instrucciones sencillas No memoria
de control 2) Reducción del tiempo de ciclo máquina.
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3) Interpretación directa por el hardware de las instrucciones y ejecución en 1 ciclo máquina.
4) Selección de un número mínimo de instrucciones en el repertorio. 5) Ampliación de la caché para contener datos e instrucciones. Este nuevo enfoque promueve los computadores RISC.
UCP Memoria caché de Instrucciones
y datos
MEMORIA PRINCIPAL
ENTRADAS Y SALIDAS
DATOS
INSTRUCCIONES
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CARACTERISTICAS DE LOS RISC • Pequeño repertorio de instrucciones (menos de 50) • Instrucciones simples realizadas directamente sobre el HW, sin microprograma. • Instrucciones tardan 1 ciclo máquina en ejecutarse. • Número elevado de registros internos para evitar accesos a memoria. • Modernos microprocesadores (Pentium) integran varias cachés: una para datos
y otra para instrucciones. • Clasificación de los computadores en cinco generaciones o décadas.1950-2000.
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MIPS Y MFLOPS
MIPS: Millones de instrucciones que ejecuta un procesador en un segundo. Número total de instrucciones MIPS= ---------------------------------------------------. 10 -6 Tiempo tardado en segundos Tiempo tardado en segundos = Número de ciclos de reloj. Tiempo del ciclo = 1 = Número de ciclos de reloj. ----------------------------- Frecuencia Queda: Número total de instrucciones. Frecuencia Frecuencia MIPS = -----------------------------------------------------------. 10 –6 = ----------------------------10 -6
Número de ciclos de reloj CPI
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¿Tiempo que se tarda en realizar un programa? Tiempo de ejecución de un programa = Nº de instrucciones. CPI. Tiempo del ciclo Nº total de instrucciones. CPI Tiempo de ejecución = ------------------------------------------ Frecuencia Sustituyendo: Nº total de instrucciones Tiempo de ejecución = ---------------------------------------- 10 -6 MIPS
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RENDIMIENTO DE UN COMPUTADOR • Es directamente proporcional a su frecuencia de trabajo.
• (función de tecnología) • Es inversamente proporcional al valor del CPI.
• (Función de la arquitectura) • Es inversamente proporcional al número total de instrucciones que hay que
ejecutar. • (Función de arquitectura y compiladores)
MIPS medida poco fiable (ligado al compilador): Aparecen los MIPS relativos
(Referencia: VAX 11/780) - 1 MIPS relativo.
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Para cálculos científicos aparece: MFLOP: Megaflops o millones de operaciones en coma flotante por segundo Medida muy dependiente del programa que se ejecute. MFLOPS normalizados: Se pondera la complejidad de las operaciones.