PRIMER TEMA:
INTRODUCCION A LA ARQUITECTURA
1 . Introducción a la Arquitectura de Computadores
La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura
operacional fundamental de un sistema que conforma una computadora.
1.1 Conceptos Iniciales de la Arquitectura de
Un computador es un sistema secuencial síncrono complejo que procesa
información, esta se trata de información binaria, utilizando solamente los dígitos de valores lógicos ‘1’ y ‘0’. Estos valores lógicos binarios se corresponden con valores de tensión eléctrica, de manera que un ‘1’ lógico corresponde a un nivel alto a 5 voltios y un ‘0’ lógico corresponde a un nivel bajo de tensión cercano a 0 voltios; estos voltajes dependen de la tecnología que utilicen los dispositivos del computador.
información, esta se trata de información binaria, utilizando solamente los dígitos de valores lógicos ‘1’ y ‘0’. Estos valores lógicos binarios se corresponden con valores de tensión eléctrica, de manera que un ‘1’ lógico corresponde a un nivel alto a 5 voltios y un ‘0’ lógico corresponde a un nivel bajo de tensión cercano a 0 voltios; estos voltajes dependen de la tecnología que utilicen los dispositivos del computador.
1.1.1 Procesador Es el cerebro del sistema, encargado de procesar todos lo datos e informaciones.
· CPU (por el acrónimo en inglés de central processing unit) : La unidad central de proceso es el corazón del computador. Controla el flujo de datos, los procesa, y gobierna
· Memoria: es la responsable del almacenamiento de datos.
· Entrada/Salida: transfiere datos entre el entorno exterior y el computador. En él se encuentran los controladores de periféricos que forman la interfaz entre los periféricos, la memoria y el procesador.
· Sistema de interconexión: Buses; es el mecanismo que permite el flujo de datos entre la CPU, la memoria y los módulos de entrada/salida.
·Periféricos: estos dispositivos son los que permiten la entrada de datos al computador, y la salida de información una vez procesada. Un grupo de periféricos puede entenderse como un conjunto de transductores entre la información física externa y la información binaria interpretable por el computador.
1. 1.2 Memoria En la memoria se almacena el programa y los datos que va a ejecutar el CPU.
1.2.3 Entrada/Salida Como sabemos una computadora tiene dispositivos de entrada y salida como son los que contiene
1.2.4 Sistema de Interconexión: Buses. La conexión de los diversos componentes de una computadora, tales como discos duros, tarjetas madres, unidades de CD, teclados, ratones, etc.
Según si criterio de funcionabilidad los buses se dividen en:
· Buses de datos: es el que se utiliza para transmitir datos entre los diferentes dispositivos del computador.
· Buses de Direcciones: sirve para indicar la posición del dato que se requiere acceder.
· Bus de Control: sirven para seleccionar al emisor y al receptor en una transacción del bus.
· Bus de alimentación: sirve para proporcionar a los dispositivos voltajes distintos.
1.2.5 Periféricos. Se entenderán todos aquellos dispositivos que son necesarios para suministrar datos a la computadora o visualizar los resultados.
1.4.1 La Placa Base Es el componente principal, por lo tanto, este se tiene que escoger con el más sumo cuidado para que el ordenador tenga una calidad excelente al igual que su
rendimiento en la ejecución de tareas.
1.4.2 Memoria RAM Si la computadora tiene poca memoria RAM, nuestro sistema deberá utilizar nuestro disco duro para almacenar aquellos programas que no caben en RAM esta es la llamada Memoria Virtual; la cual por sobrecarga puede llegar a volver muy lento nuestro
sistema.
1.4.5 Tarjeta Gráfica Existen tarjetas de 2D y 3D. También existen tarjetas aceleradoras de 3D que deben usarse con una tarjeta de 2D común. También existen las tarjetas gráficas
“combo”, que realizan funciones de 2D y 3D.
1.4.6 Tarjeta de Sonido No tiene ninguna influencia con el rendimiento del equipo, solamente determina la calidad de audio.
SEGUNDO TEMA:
LA PLACA BASE Y SUS COMPONENTES
2. La Placa Base y Componentes Es una placa de circuito impreso sobre la que hay montada una seria e componentes electrónicos.
2.2. Los componentes de la placa base.Como se mencionó en la introducción de este capítulo la placa base
contiene distintas partes que lo conforman los cuales se muestran más adelante del documento, cabe mencionar que sin estos componentes conectados entre sí nuestro equipo de cómputo no operaria de forma correcta inclusive no prendería nuestra computadora.
· zócalo del microprocesador
· ranuras de memoria (SIMM, DIMM...)·
chipset de control·
BIOS
ranuras de expansión (ISA, PCI, AGP...)·
memoria caché·
conectores internos
conectores externos·
conector eléctrico·
pila
2.2.1. Zócalo del microprocesador Es el lugar donde se inserta el "cerebro" del ordenador.
· ranuras de memoria (SIMM, DIMM...)·
chipset de control·
BIOS
ranuras de expansión (ISA, PCI, AGP...)·
memoria caché·
conectores internos
conectores externos·
conector eléctrico·
pila
2.2.1. Zócalo del microprocesador Es el lugar donde se inserta el "cerebro" del ordenador.
2.2.2. Ranuras de memoriaSon los conectores de la memoria principal del ordenador, la RAM.
2.2.3. Chipset de control El "chipset" es el conjunto (set) de chips que se encargan de
controlar determinadas funciones del ordenador, como la forma en que interacciona el microprocesador con la memoria o la caché, o el control de puertos PCI, AGP, USB.... la figura 2.9 muestra un ejemplo de chipset.
2.2.4. La BIOS
La BIOS realmente no es sino un programa que se encarga de dar
soporte para manejar ciertos dispositivos denominados de entrada-salida (Input-Output). Físicamente se localiza en un chip que suele tener forma rectangular, como el de la figura 2.10.
2.2.5. Slots para tarjetas de expansión Son unas ranuras de plástico con conectores eléctricos (slots) donde se introducen las tarjetas de expansión (tarjeta de vídeo, de sonido, de red...).
2.2.6. Memoria cachéSe trata de un tipo de memoria muy rápida que se utiliza de puente entre el microprocesador y la memoria principal o RAM.
La figura 2.11 muestra una memoria cache.
2.2.7. Conectores externosSe trata de los conectores para periféricos externos: teclado, ratón, impresora...
2.2.8. Conectores internos Bajo esta denominación englobamos a los conectores para dispositivos internos, como puedan ser la disquetera, el disco duro, el CDROM o el altavoz interno, e incluso para los puertos serie, paralelo y de joystick si la placa no es de formato ATX.
2.2.9. Conector eléctrico Es donde se conectan los cables para que la placa base reciba la alimentación proporcionada por la fuente.
2.2.10. Pila
La pila del ordenador, o más correctamente el acumulador, se encarga de conservar los parámetros de la BIOS cuando el ordenador está apagado.
TERCER TEMA: RAM CMOS
RAM CMOS
3 Es un tipo de memoria en que se guardan los datos que se pueden
configurar del BIOS y contiene información básica sobre algunos recursos del sistema que son susceptibles de ser modificados como el disco duro, el tipo de disco flexible, etc.
Esta memoria se utiliza para almacenar los datos que indican las características más importantes de la configuración del ordenado, tales como:
· Fecha y hora del sistema.
· Tipo y características del disco duro.
· Tipo y características de las unidades de disco flexible.
· Secuencia de unidades de disco para el arranque.
· Habitación o desactivación de la Shadow RAM.
· Palabra de acceso (Password).
· Palabra de acceso (Password).
3.1 El SETUP del BIOS La BIOS contiene un programa de configuración al que hay que acceder cuando se termina el montaje.
3.2 Tipos y Tratamiento de Errores Para conservar los datos de la RAM CMOS es importante que la memoria se refresque sin problemas mientras el ordenador está apagado
3.2.1 1 Las Funciones del Chipset La inmensa mayoría de las funciones del ordenador dependen dell chipset sobre el que esta basada la placa base. Este controla la memoria, los dispositivos IDE, la disquetera, el controlador DMA, la nuras PCI, el teclado, el ratón, los puertos seria, paralelo, USB, prácticamente todo.
3.2. 2 El Chipset por dentro. Los chipsets actuales están formados por dos componentes ncipales, North Bridge o Puente Norte y South Bridge o puente sur. El puente Norte es el más importante, y en la mayoría de las ocasiones es el que marca la diferencia entre un chipset y otro.
3.2. 3 Chipsets para Pentium y Pentium AMX· 430 FX de Intel (Tritón): Fue la primera placa base creada con un mero muy reducido de chips.
430 HX de Intel (Tritón H): Salio un año después que la FX y orientada
hacia el mercado profesional.
430 VX de Intel (Tritón III): Salió al poco de la HX y orientada hacia el
mercado multimedia.
430 TX de Intel: es el chipset mas novedoso y ampliamente
implantado por las grandes marcas de placa madre.
Apollos VIA: Es el competidor de Intel en el campo de las placas base
con los procesadores K6 de AMD.
3.2. 4 Chipsets para Pentium PRO· 440 KX y 440GX de Intel (Mars y Orion): Ambos se basan en una estructura similar, con un numero total de chips que puede llegar a nueve endiendo de la configuración.
3.3 La Memoria Caché Las memorias SRAM son muy rápidas, debido a que no necesitan
ciclo de refresco para mantener los datos, pero su precio es muy elevado
comparado con la DRAM.
3.4.2 Componentes de la cachéTodo el sistema caché está formado por los siguientes elementos:
· Una memoria asociativa: Constituida por chips de memoria SRAM
(10/45 ns), más rápida que la DRAM (100/80/70/60 ns), y que se sitúa entrela memoria principal y el microprocesador
· Un controlador de caché: Para que el sistema funcione
correctamente, se necesitara un elemento hardware que se encargue de
actualizar el contenido de la caché y de la memoria central.
CUARTO TEMA TEMA:
LOS SISTEMAS DE BUS
4. Los Sistemas de BUS Los buses son el mecanismo más común para la comunicación entre los dispositivos del computado diversidad de implementaciones, pero en general podemos distinguir 3 grandes grupos de buses:
a) Bus de datos: Por estas líneas se transfieren los datos, pueden ser de 8,
16, 32 o más líneas, lo cual nos indica cuantos datos podemos transferir al
mismo tiempo, y es muy influyente en el rendimiento del sistema.
b) Bus de direcciones: Por estas líneas se envía la dirección a la cual se requiere hacer referencia para una lectura o escritura, si el bus es de 8 líneas por ejemplo, las combinaciones posibles para identificar una dirección irían del 00000000 al 11111111, son 256 combinaciones posibles, en consecuencia el ancho del bus de datos nos indica la cantidad de direcciones de memoria a la que podemos hacer referencia.
c) Bus de control: Estas líneas son utilizadas para controlar el uso del bus
de control y del bus de datos. Se transmiten órdenes y señales de
temporización. Las órdenes son muy diversas, las más comunes son:
· Escritura en memoria.
· Lectura de memoria.
· Escritura de E/S.
· Lectura de E/S.
· Transferencia reconocida.
· Petición del bus.
· Sesión del bus.
· Petición de interrupción.
· Interrupción reconocida.
· Señal de reloj.
· Inicio..
En la siguiente figura 4.1 mostramos
el Esquema de Interconexión de los buses en el sistema.
4.1. Jerarquía de buses:Para mejorar el rendimiento del bus, las jerarquías de buses fueron implementadas cada vez más, una primera aproximación a una jerarquía
de bus básica seria como la que se muestra en la figura 4.2:
4.1.1. Tipos de buses Una clasificación que podemos hacer es según la funcionalidad de este, los podríamos dividir en dedicados o multiplexados.
4.2. Método de arbitraje.Por la razón de que en un momento dado solo puede usar el bus un
solo dispositivo, debe existir un método para decidir quién hace uso de él.
Todos los métodos que existen en general pueden ser clasificados en 2
grandes grupos:
solo dispositivo, debe existir un método para decidir quién hace uso de él.
Todos los métodos que existen en general pueden ser clasificados en 2
grandes grupos:
· Arbitraje centralizado: Una parte del hardware del sistema
denominada controlador del bus se encarga de decidir el uso del bus en
cada momento, este dispositivo puede ser un módulo separado o puede
estar incorporado al procesador.
· Arbitraje distribuido: En este esquema no existe un controlador
centralizado, en su lugar, cada dispositivo que hace uso del bus tiene que
tener incorporada la lógica necesaria para poder interactuar con los
demás dispositivos y decidir quién hace uso del bus.
4.11. FirewireEl estándar IEEE-P1394 se denomina también Firewire, aunque en
realidad Firewire, no es más que una de las implementaciones posible que
obedecen a este estándar.
4.12. DVI (Digital Visual Interface) A mediados de 1998, un grupo de empresas, principalmente del sector informático, creó el llamado DDWG (Digital Display Working Group).
este sistema está basado en una tecnología denominada TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) que utiliza cuatro canales de datos para la transmisión de la señal.
QUINTO TEMA:
LOS PROCESADORES
5. Los Procesadores
El procesador es el componente básico de cualquier PC.
5.1 Características Básicas de los Procesadores. La primera cosa que nos preguntamos a la hora de comprar un procesador es la frecuencia de trabajo, que es medida en Megahercios (Mhz) o millones de ciclos por segundo, frecuencia llamada de reloj y que ahora ya en la actualidad la medimos en el término de Gigahercios (Ghz), billones de ciclos por segundo.
5.1.1 El coprocesador aritmético.Todos los procesadores de la familia x86, son básicamente procesadores de números enteros.
5.2.1. Intel 8086 Microprocesador Intel 8086 es un primer miembro de la familia de
procesadores x86.
FIGURA 5.1. PROCESADOR INTEL 8086
5.2.2. Intel 8088 El microprocesador Intel 8088 fue lanzado en 1979, o un año después de la CPU Intel 8086.
5.2.3. Intel 80186. Microprocesador Intel 80186, a veces llamado i186, es una versión mejorada del procesador Intel 8086 de 16 bits.
5.2.4. INTEL 80188. El microprocesador Intel 80188 es una versión mejorada del procesador Intel 8088.
5.2.5. Intel 80286.La segunda generación de procesadores x86 de 16-bits, Intel 80286, fue lanzado en 1982.
5.2.6. Intel 80376Intel 80376 (i376) es un microprocesador de 32 bits integrados,
basado en la microarquitectura Intel 80386.
5.3. Los Nuevos Procesadores . Intel ha sido el numero uno de los fabricantes de microprocesadores durante décadas; la evolución de su microprocesador más representativo es un buen indicador de la evolución de la tecnología de los computadores.
5.3.1. Intel Pentium II Intel Pentium II se basa en la sexta generación de procesadores x86.
5.3.2. Intel Celeron.Todos los procesadores Intel Celeron se basaron en el paquete PPGA en el núcleo de Mendocino.
5.3.3. Intel Pentium III. Familia de microprocesadores Pentium III fue una actualización evolutiva de los Pentium II.
5.3.11. Intel Core i5Intel Core i5, previsto para ser lanzado en septiembre de 2009, es una familia de procesadores con un rendimiento de nivel medio en
comparación con el Core i7.
SEXTO TEMA:
LOS COMPONENTES
Los Componentes
6. Los Componentes
6.1. La Memoria RAM.La memoria principal o RAM (acrónimo de Random Access Memory Memoria de Acceso Aleatorio) es donde el ordenador guarda los datos que está utilizando en el momento presente.
6.1.1. Tipos de RAM· DRAM: Dinamic-RAM, o RAM a secas, ya que es "la original", y por tanto la más lenta (aunque recuerde: siempre es mejor tener la suficiente memoria que tener la más rápida, pero andar escasos).
SDRAM: Sincronic-RAM. Funciona de manera sincronizada con la velocidad de la placa (de 50 a 66 MHz), para lo que debe ser rapidísima, de unos 25 a 10 ns.
PC100: o SDRAM de 100 MHz. Memoria SDRAM capaz de funcionar a esos 100 MHz, que utilizan los AMD K6-2, Pentium II a 350 MHz y micros más modernos.
PC133: o SDRAM de 133 MHz. La más moderna (y recomendable).
6.1.2. SIMMs y DIMMsSe trata de la forma en que se juntan los chips de memoria, del tipo que sean, para conectarse a la placa base del ordenador.
6.1.3. Otros tipos de RAM
· BEDO (Burst-EDO): una evolución de la EDO, que envía ciertos
datos en "ráfagas". Poco extendida, compite en prestaciones con la
SDRAM.
Memorias con paridad: consisten en añadir a cualquiera de los tipos anteriores un chip que realiza una operación con los datos cuando entran en el chip y otra cuando salen.
Memorias de Vídeo: para tarjetas gráficas.
6.2. Discos Duros.Un disco duro o disco rígido (en inglés hard disk drive) es un
dispositivo no volátil, que conserva la información aun con la pérdida de energía, que emplea un sistema de grabación magnética digital.
6.4.3. CD-ROMUn CD-ROM (siglas del inglés Compact Disc- Read Only Memory,
"Disco Compacto - Memoria de Sólo Lectura"), es un disco
compacto utilizado para almacenar información no volátil, el mismo medio utilizado por los CD de audio, puede ser leído por un computador con lectora de CD.
6.4.4. CD-R Estos CD’s se pueden grabar una sola vez.
6.7. Memoria USBUna memoria USB (de Universal Serial Bus; en inglés pendrive, USB flash drive) es un dispositivo de almacenamiento que utiliza memoria flash para guardar la información que puede requerir y no
necesita baterías.
6.10. Monitor
El monitor es la pantalla en la que se ve la información suministrada
por el ordenador.
6.11. TecladoUn teclado como el que se muestra en la figura 6.15 es un dispositivo compuesto por un sistema de teclas que permiten introducir datos y comandos a un ordenador, computadora o artefacto con tecnología
digital.
6.12. Mouse
Mouse significa ratón en inglés, este dispositivo utilizado en todas las PC fue comenzado a ser llamado mouse en la Universidad de Standford, dado que el cable y su cuerpo (forma y tamaño) sugerían la forma de un roedor, en la figura 6.16 se da un ejemplo de mouse.
SEPTIMO TEMA:
CPU
7. CPU
"Es un conjunto de transistores conectados entre ellos por cables, y
ordenados de manera que forman puertas lógicas, y poder así, hacer
operaciones de toda clase"
7.1 Función
Se encarga del control y el procesamiento de datos en todo el ordenador. Para esta tarea es necesario que le ayuden otros elementos capaces de realizar funciones específicas y así liberar de trabajo costoso y difícil al microprocesador.
· Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Lleva a cabo las funciones de
procesamiento de datos.
· Unidades Funcionales: se encargan de operaciones matemáticas específicas, y así sacan y facilitan el trabajo al microprocesador. (sumas, multiplicaciones, dividir por números enteros, etc.)
· Registros: Almacenan datos durante cierto tiempo, dentro la
CPU.
7.2. Tipos de Procesadores Básicamente existen dos tipos de estructura de procesador, que constituyen hoy en día la diversidad de chips en el mercado (el caso más claro y con más éxito es el de AMD e Intel). De una parte tenemos microprocesadores RISC los cuales se basan en instrucciones simples y por lo tanto la complejidad total de la CPU es menor. Algunos ejemplos son: Power PC, Motorola y SPARC, la mayoría son utilizados en empresas por su rendimiento y fiabilidad.
7.3. ComparaciónCuando se ejecuta un programa difícil, o extenso, los CISC son más
rápidos y eficaces que los RISC. En cambio cuando tenemos en ejecución un conjunto de instrucciones sencillas, cortas y simples, tenemos que los RISC son más rápidos.
7.4 Funcionamiento y componentes que lo forman
El microprocesador en sí, no es nada más que una fina placa de
silicio dónde van soldados un conjunto de componentes electrónicos, y
estos son los encargados de manejar todas las señales eléctricas que
representan los bits (acrónimo de Binary digit), ceros, cuando hay ausencia de corriente, y unos, cuando pasa corriente eléctrica.
ALU
8. Unidad Aritmético Lógica (ALU)
8.1. Introducción:El procesador después de acceder a memoria principal para copiar la instrucción en el registro de instrucción, inicia la secuencia de acciones propias de cada instrucción. Muchas de estas instrucciones consisten en la transformación de datos mediante la realización de operaciones lógicas o aritméticas. Para realizar estas operaciones existe un bloque especial de la CPU denominado Unidad Aritmético Lógica (ALU). Los criterios más habituales que van a caracterizar los módulos de la ALU son:
· Módulo combinacional o secuencial. En el caso de módulos combinacionales se tiene un circuito digital combinacional, sin elementos de memoria. Si se modifica uno de los operandos el resultado se modifica con un retraso que vendrá dado por la suma de los retrasos de todas las puertas que intervienen en la operación.
· Número de operandos del módulo. Hay módulos que solamente emplean un operando, como es el de la negación, pero habitualmente la mayoría de los módulos realizan
operaciones que utilizan dos operadores, como son la suma, división o AND lógico.
· Incorporación de paralelismo al módulo. Si el módulo realiza la operación bit a bit se dirá que es serie, sin embargo, si se transforma toda la palabra simultáneamente se dirá que esparalelo.
· Operación aritmética o lógica. La operación realizada
puede ser de tipo lógico (AND, OR, etc). O de tipo aritmético
(suma, multiplicación, etc).
· Integración en la CPU. Puede ocurrir que parte de los módulos de la ALU estén integrados en la CPU (típicamente los que realizan operaciones lógicas o aritméticas con números enteros), y otros sean externos a la CPU debido a que son muy complejos y ocupan mucha superficie de silicio.
8.2. Estructura y operaciones de la ALULa ALU está formada por un conjunto de operadores, un conjunto de registros que van a almacenar los operandos fuente y resultados parciales y unos biestables de estado. complejos y ocupan mucha superficie de silicio.
Las operaciones más frecuentes que implementan los operadores de la ALU son las siguientes:
· Desplazamientos: lógicos, circulares y aritméticos.
· Operaciones lógicas: NOT, AND, OR, XOR.
· Operaciones aritméticas: suma, resta, multiplicación y división
