Diagrama de bloques de una computadora
Los bloques funcionales básicos son: la unidad de procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el procesador de Entrada - Salida.
Unidad de proceso central: esta es la responsable de la interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la memoria principal se realizan a través de 2 canales funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos.
Para introducir en la memoria, una instrucción especifica, la CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la instrucción que está en esa dirección.
Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar la operación. Esta parte se llama código de operación de la instrucción. La información restante se utiliza para determinar la o las localidades de los datos con los cuales se va a efectuar la operación.
La acción de leer una instrucción en la CPU y prepararla para su ejecución se denomina ciclo de búsqueda. Para completar una instrucción la CPU decodifica el código de operación, genera las señales de control que se necesitan para introducir los operandos requeridos y controla la ejecución de la instrucción.
Por ejemplo, suponiendo que la operación especificada consiste en sumar 2 números requeridos en 2 registros de la CPU y almacenar el resultado en un tercer registro de la CPU. Para efectuar esta instrucción, la CPU identificará los 2 registros y generará las señales de control adecuados para conectar los registros a la unidad de Aritmética y Lógica (ULA).
Una
PC puede ser un desktop o escritorio, una computadora portátil o un computador
de tipo tableta. La utilizan ampliamente los sistemas operativos para
computadoras como son Microsoft Windows, Mac OS y Linux, mientras que, las más
comunes son los microprocesadores x86-compatibles, asi como las de arquitectura
ARM y Power PC CPU. Aplicaciones de software para computadoras pueden ser
procesadores de texto, hojas de cálculo, bases de datos, navegadores Web,
juegos de video, softwares de simulación, etc. Una PC suele tener velocidad
altas de banda ancha o acceso telefónico a Internet para acceder a los medios
de comunicación, asi como para el uso de la World Wide Web y otros recursos.
La
introducción de un solo chip basado en el microprocesador revolucionó los
computadoras durante 1970. Principios de los Computadoras personales
generalmente denominados microordenadores se vendieron en kits electrónicos. En
1976, Steve Jobs y Steve Wozniak desarrollaron totalmente una placa de circuito
llamado Apple y Apple II montado con 30 chips.
Hoy en día,
un computador es un microprocesador de propósito general. El microprocesador
está instalado en una PCB (placa de circuito impreso) denominado placa madre.
Una computadora también tiene otras partes como RAM, disco duro, etc y que son
esenciales para su funcionamiento. Prácticamente los computadores se están
utilizando en cada parte de nuestra vida, ya sea directa o indirectamente.
Incluso los electrodomésticos como microondas y la televisión tienen
microprocesadores incorporados dentro de ellos. Sin embargo, la palabra
computador se suele hacer referencia a la llamada PC o computadora personal.
La CPU contiene un conjunto de localidades de almacenamiento temporal de datos de alta velocidad llamada registro. Algunos de los registros están dedicados al control, y solo la unidad de control tiene acceso a ellos. Los registros restantes son los registros de uso general y el programador es el usuario que tiene acceso a ellos.
Dentro del conjunto básico de registros de control se deben incluir a los siguientes:
Contador de programa (PC).
Registro de direcciones de la memoria (MAR).
Registro de datos (RD).
Registro de instrucciones (ER).
Palabra de estado de programa (PSW).
Se ocupa del
control y el proceso de datos en las computadoras.El microprocesador de la CPU
está formado por una unidad aritmético-lógica que realiza cálculos y
comparaciones, y toma decisiones lógicas por una serie de registros donde se
almacena información temporalmente, y por una unidad de control que interpreta
y ejecuta las instruccionesPara aceptar órdenes del usuario, acceder a los
datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de
circuitos o conexiones llamado bus. El bus conecta la CPU a los dispositivos de
almacenamiento (por ejemplo, un disco duro), los dispositivos de entrada (por
ejemplo, un teclado o un mouse) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un monitor
o una impresora).
Funcionamiento de la CPU
Cuando
se ejecuta un programa, el registro de la CPU, llamado contador de programa,
lleva la cuenta de la siguiente instrucción, para garantizar que las
instrucciones se ejecuten en la secuencia adecuada. La unidad de control de la
CPU coordina y temporiza las funciones de la CPU, tras lo cual recupera la
siguiente instrucción desde la memoria. En una secuencia típica, la CPU
localiza la instrucción en el dispositivo de almacenamiento correspondiente. La
instrucción viaja por el bus desde la memoria hasta la CPU, donde se almacena
en el registro de instrucción. Entretanto, el contador de programa se
incrementa en uno para prepararse para la siguiente instrucción. A
continuación, la instrucción actual es analizada por un descodificador, que
determina lo que hará la instrucción. Cualquier dato requerido por la
instrucción es recuperado desde el dispositivo de almacenamiento
correspondiente y se almacena en el registro de datos de la CPU. A
continuación, la CPU ejecuta la instrucción, y los resultados se almacenan en
otro registro o se copian en una dirección de memoria determinada.
Puertos Un puerto es el
lugar donde el CPU se comunica con otros dispositivos, existen de varios tipos,
hay puertos de entrada, de salida y ambos. Además estos pueden ser seriales o
paralelos.
Puerto PS/2El
conector PS/2 o puerto PS/2 toma su nombre de la serie de ordenadores IBM
Personal System/2 en que es creada por IBM en 1987, y empleada para conectar
teclados y ratones. Muchos de los adelantos presentados fueron inmediatamente
adoptados por el mercado del PC, siendo este conector uno de los primeros.
Puerto USBEl USB puede conectar
los periféricos como ratón, teclados, escáneres, cámaras digitales, teléfonos
celulares, reproductores multimedia, impresoras, discos duros externos,
tarjetas de sonido, sistemas de adquisición de datos y componentes de red. Para
dispositivos multimedia como escáneres y cámaras digitales, el USB se ha
convertido en el método estándar de conexión. Para impresoras, el USB ha
crecido tanto en popularidad que ha empezado a desplazar a los puertos
paralelos porque el USB hace sencillo el poder agregar más de una impresora a
un ordenador personal.
ALU
Es un circuito digital que calcula
operaciones aritméticas (como adición, substracción, etc.) y operaciones
lógicas (como OR, NOT, XOR, etc.), entre dos números.
Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún tipo de operación aritmética, así que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si debe activar el pitido del temporizador, etc…
Por mucho, los más complejos circuitos electrónicos son los que están construidos dentro de los chips de microprocesadores modernos como el Pentium. Por lo tanto, estos procesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y poderoso. De hecho, un microprocesador moderno (y los mainframes) pueden tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU.
Muchos otros circuitos pueden contener en el interior ALU: GPU como los que están en las tarjetas gráficas y ATI, FPU como el viejo coprocesador numérico 80387, y procesadores digitales de señales como los que se encuentran en tarjetas de sonido Sound Blaster, lectoras de CD y las TV de alta definición. Todos éstos tienen adentro varias ALU poderosas y complejas.
John Presper Eckert y John William Mauchly idearon el concepto de la ALU en 1945 que fue injustamente acreditado al matemático John von Neumann al publicarse el informe en el que von Neumann recopilaba los trabajos para un nuevo computador llamado EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) (Computador Automático Variable Discreto Electrónico). Más adelante, en 1946, trabajó con sus colegas diseñando un computador para el Princeton Institute of Advanced Studies (IAS) (Instituto de Princeton de Estudios Avanzados). El IAS computer se convirtió en el prototipo para muchos computadores posteriores. En la propuesta, von Neumann describió lo que el equipo creyó sería necesario en su máquina, incluyendo una ALU.
Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún tipo de operación aritmética, así que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si debe activar el pitido del temporizador, etc…
Por mucho, los más complejos circuitos electrónicos son los que están construidos dentro de los chips de microprocesadores modernos como el Pentium. Por lo tanto, estos procesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y poderoso. De hecho, un microprocesador moderno (y los mainframes) pueden tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU.
Muchos otros circuitos pueden contener en el interior ALU: GPU como los que están en las tarjetas gráficas y ATI, FPU como el viejo coprocesador numérico 80387, y procesadores digitales de señales como los que se encuentran en tarjetas de sonido Sound Blaster, lectoras de CD y las TV de alta definición. Todos éstos tienen adentro varias ALU poderosas y complejas.
John Presper Eckert y John William Mauchly idearon el concepto de la ALU en 1945 que fue injustamente acreditado al matemático John von Neumann al publicarse el informe en el que von Neumann recopilaba los trabajos para un nuevo computador llamado EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) (Computador Automático Variable Discreto Electrónico). Más adelante, en 1946, trabajó con sus colegas diseñando un computador para el Princeton Institute of Advanced Studies (IAS) (Instituto de Princeton de Estudios Avanzados). El IAS computer se convirtió en el prototipo para muchos computadores posteriores. En la propuesta, von Neumann describió lo que el equipo creyó sería necesario en su máquina, incluyendo una ALU.
Suma
y registro
La suma y registro
son operaciones de dos palabras de 1 bit de las que obtengo una suma y un
acarreo (carry). Existen distintas formas de implementar la suma y la resta.
La suma es la operación aritmética más importante de todas las que realiza la ALU. Está presente en la actualización del contador del programa y en todos los direccionamientos relativos, por lo que interesa que sea muy rápida. Para ello existen varias técnicas de aceleración de la misma.
Anticipador por acarreo puro
Anticipador por acarreo por bloques
Salto de acarreo
Sumador con selección de acarreo
Para poder realizar la suma, se necesita:
Se debe tener el código de operación que indique la operación a efectuar en este caso el código de suma.
Dirección de la célula en la que se encuentra almacenado el primer sumando.
Dirección del segundo sumando.
Dirección de la célula en la que se almacena el resultado.
La suma es la operación aritmética más importante de todas las que realiza la ALU. Está presente en la actualización del contador del programa y en todos los direccionamientos relativos, por lo que interesa que sea muy rápida. Para ello existen varias técnicas de aceleración de la misma.
Anticipador por acarreo puro
Anticipador por acarreo por bloques
Salto de acarreo
Sumador con selección de acarreo
Para poder realizar la suma, se necesita:
Se debe tener el código de operación que indique la operación a efectuar en este caso el código de suma.
Dirección de la célula en la que se encuentra almacenado el primer sumando.
Dirección del segundo sumando.
Dirección de la célula en la que se almacena el resultado.
Multiplicación
y división
Multiplicación
La multiplicación se puede calcular fácilmente mediante
un algoritmo de sumas y desplazamientos. Si el multiplicando es de n bits y el
multiplicador de m, entonces el producto es de n + m bits. La multiplicación en
binario es muy sencilla ya que se trata de multiplicar por “1” ó por “0”.
La división.
Podemos expresar la división como: Dividendo = Cociente x Divisor + Resto. El resto es más pequeño que el divisor y hay que reservar el doble de espacio de éste para el dividendo. Supondremos números positivos.
Podemos expresar la división como: Dividendo = Cociente x Divisor + Resto. El resto es más pequeño que el divisor y hay que reservar el doble de espacio de éste para el dividendo. Supondremos números positivos.
Operaciones
lógicas
La ALU ejecuta las
siguientes operaciones:
Suma aritmetica.
Funciones logicas AND, OR, XOR.
Complemento.
Rotación hacia la derecha o izquierda.
La ALU contienen ademas un conjunto de FF`s llamados
"banderas" que guardan informacion relacionada con el resultado de
una operacion.
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