Arquitectura de Computadores: Funcionamiento de la CPU, Instrucciones y Memorias

Funcionamiento del Conjunto Procesador-Memoria

• Registro de dirección de memoria: Donde se almacena la dirección del dato o instrucción a leer o escribir.
• Registro de memoria: Donde se almacena el dato a escribir en la memoria o la información leída de ella.

Instrucciones y Ejecución

Una instrucción es una operación elemental en un lenguaje de programación; es la orden más pequeña que un programador puede dar a un ordenador. Estas contienen dos tipos de información: lo que debe hacer la instrucción (sumar, almacenar, etc.) y con qué datos debe realizarlo.

• Las instrucciones son cadenas de 0’s y 1’s.
• La traducción de lenguaje de alto nivel a binario la realiza un intérprete o compilador.
• La traducción de lenguaje ensamblador a binario la realiza un ensamblador específico para el microprocesador.
• Cuando la unidad de control recibe una instrucción, envía una lista de órdenes a las unidades que ejecutan la operación: microinstrucciones.

Estructura de la Instrucción

• Código de operación: Indica qué operación llevar a cabo y qué partes del ordenador están involucradas. Su longitud depende del número de instrucciones que el microprocesador pueda entender (ej. 8 bits permiten 256 instrucciones).
• Campo de dirección: Contiene la dirección de la posición de memoria donde están almacenados los datos.

Fases de Funcionamiento de la CPU

Existen dos fases principales:

1. Fase de captación de la instrucción: Secuencia de microinstrucciones (RPC → LMA → REA → FET → LIR → IPC).
   • RPC (Read Program Counter): (Program Counter) → Address bus
   • LMA (Load Memory Address register): (Address Bus) → Memory address register
   • REA (Read from Memory): (Memory) → Memory data register
   • FET (Fetch memory data register): (Memory data register) → Data bus
   • LIR (Load Instruction Register): (Data bus) → Instruction Register
   • IPC (Increment Program Counter): (Program counter) + 1.
2. Fase de ejecución de la instrucción: Una vez cargada la instrucción, el decodificador transforma el código de operación en microinstrucciones y el secuenciador las envía a los dispositivos para su ejecución.

Evolución y Arquitecturas

• Tarjeta perforada: Superficie de papel, cartón o plástico con perforaciones (8 col x 80 filas = 640 bits).
• ENIAC (1943): Una de las primeras máquinas, diseñada para balística. Utilizaba válvulas de vacío y era de gran tamaño.
• RISC: Arquitectura de muchas instrucciones pequeñas, interpreta microoperaciones y utiliza unidad de control cableada.
• CISC: Arquitectura de pocas instrucciones complejas, interpreta microinstrucciones y utiliza unidad de control microprogramada.

Tecnologías de Memoria

• SDR: Tiempo de acceso de 10-25 ns, módulos DIMM de 168 contactos (Pentium II/III, AMD K6/K7).
• DDR: Memoria principal para datos de programa. Evolución: DDR, DDR2, DDR3 y DDR4.
• DDR2: Mejora de DDR con buffers de E/S al doble de frecuencia, módulos de 240 contactos.
• DDR3: Módulos de 240 contactos (incompatibles con DDR2), usados en procesadores Dualcore y Quadcore.
• RDRAM (Rambus DRAM): Memoria síncrona de alta gama.
• GDDR: Chips de memoria de alta velocidad integrados en tarjetas gráficas o placas base.

Particiones de Disco

• Partición primaria: Permite instalar el sistema operativo (booteable).
• Extendida: Funciona como almacén de datos.
• Lógica: Particiones creadas dentro de una partición extendida.