Arquitectura de Computadors: CPU, Memòria i Llenguatges

Arquitectura de Computadors

Tipus de Sistemes

• Sistema de propòsit específic: Destinat a una tasca molt específica. Són sistemes anomenats parametritzables, canviem el valor dels paràmetres.
• Sistema de propòsit general: És aquell sistema que, a priori, es pot dedicar a qualsevol tasca. Inicialment, l'aparell no serveix per a res, i és mitjançant la programació, que aconseguim que faci la tasca que ens interessa.

Components Principals

• Central Process Unit (CPU): Unitat central de procés. És el dispositiu electrònic que executa les instruccions del programa. És el cervell de l'ordinador.
• Memòria: És el dispositiu electrònic que emmagatzema els programes en execució i les dades que aquests estan utilitzant. El flux d'informació entre la memòria i la CPU és constant.
• Read Only Memory (ROM): Memòria de només lectura. Memòria permanent, per tant, no perd la informació emmagatzemada que ha estat gravada pel fabricant de l'ordinador.
• Random Access Memory (RAM): Memòria d'accés aleatori. És la part de la memòria on es situa el programa que s'ha d'executar i les dades que aquest farà servir. Quan perd l'alimentació elèctrica, perd la informació.
• Emmagatzematge massiu: Són el conjunt de dispositius mecànics i electrònics que permeten emmagatzemar les dades i els programes de forma permanent.
• Perifèrics o dispositius d’entrada: Són els elements encarregats d'introduir la informació del món real dins el sistema en forma de dades.
• Perifèrics o dispositius de sortida: Són els elements que permeten que els resultats calculats per l'ordinador es comuniquin a l'exterior.
• Perifèrics o dispositius d’entrada/sortida: Són dispositius que tant poden servir per introduir dades a l'ordinador com perquè aquest les comuniqui a l'exterior.

La Memòria

Com és un dispositiu electrònic, la memòria treballa amb electricitat i basa el seu funcionament en cel·les que tenen la capacitat de mantenir la tensió que se li ha aplicat i que es poden buidar de tensió a voluntat. Com aquestes cel·les poden tenir tensió o no tenir, podem dir que són capaces d'emmagatzemar un 0 o un 1.

Aquestes cel·les de memòria que representen dígits binaris se les anomena bit (binary digit). Bit es defineix com la unitat mínima d'informació en un ordinador.

Agrupant 8 bits tenim l'anomenat byte, el qual és la unitat mínima d'emmagatzematge a la memòria i, per tant, la unitat que es fa servir per mesurar la capacitat dels dispositius d'emmagatzematge.

El bloc d'informació que es transfereix en una única operació entre la CPU i la memòria s'anomena word i pot ser 1, 2, 4 o 8 bytes consecutius.

La CPU

La CPU és el dispositiu electrònic més complex dins un ordinador, ja que és la part encarregada d'executar els programes a la màxima velocitat possible i de coordinar tota la resta de dispositius que formen l'ordinador.

• La unitat de control (UC): És la part encarregada de l'execució de les instruccions del programa i de la coordinació de la resta de mòduls.
• Els registres: Són elements que permeten emmagatzemar les dades que en cada moment la CPU està utilitzant. Hi han registres d'ús general, que el programador decidirà què fer amb ells, i registres d'ús específic que la UC fa servir per a certes operacions concretes.

Exemples de registres d'ús específic són el program counter o comptador de programa. La seva funció és guardar l'adreça de memòria on està la següent instrucció que la CPU haurà d'executar. Un altre registre és l'Instruction Register o registre d'instrucció, que guarda la instrucció que s'està processant en aquests moments. El registre Acumulator o acumulador és un altre registre habitual a les CPU's i és l'encarregat de guardar el resultat de la darrera operació realitzada.

• La unitat aritmètico-lògica (ALU: Arithmetic-Logic Unit): És el mòdul encarregat de fer totes les operacions, tant aritmètiques com lògiques.
• El mòdul de comunicació amb l'exterior: És l'encarregat de comunicar la CPU amb els dispositius externs com poden ser la memòria i els perifèrics d'entrada i/o sortida.

Llenguatges de Programació

Llenguatge màquina

El llenguatge màquina és el llenguatge que parla (que entén) la CPU. També s'anomena codi màquina. Depèn de la CPU que tingui el sistema, ja que cada CPU té el seu conjunt propi d'instruccions.

Llenguatge assembler o ensamblador

És un llenguatge molt semblant al codi màquina. Bàsicament consisteix a donar un nom mnemotècnic a cada codi d'instrucció de manera que el programa resulta més còmode d'interpretar per als humans.

No és directament executable per la CPU. La CPU entén codi màquina però no els mnemotècnics. Es necessita, per tant, traduir el programa escrit en llenguatge ensamblador a llenguatge màquina. Per aquesta feina disposem de programes que ho fan automàticament. Aquests programes s'anomenen ensambladors.

Llenguatge d’alt nivell

Són llenguatges que ens proporcionen una màquina virtual molt més potent que la real (la CPU), i, per tant, tenen instruccions molt més complexes. A més a més, incorporen eines per a la creació de programes molt desenvolupades. Són llenguatges que intenten, també, ser més propers al llenguatge humà.

Els llenguatges de programació ens defineixen les normes sintàctiques i semàntiques per la creació de programes, així com el conjunt d'instruccions.

No és directament executable per la CPU. Necessitarem programes que tradueixin el programa escrit en un llenguatge d'alt nivell al codi màquina de la CPU que tenim. Aquest programa s'anomena compilador.

Al conjunt d’instruccions que formen un programa, escrit en format text, seguint les normes de sintaxi que ens dona el llenguatge utilitzat i guardat en un fitxer, l'anomenem codi font. El compilador agafa el codi font i el tradueix a codi màquina guardant-lo en un fitxer anomenat codi màquina o executable.

Driver

Conjunt de rutines específiques d'un dispositiu que, un cop integrades en el sistema operatiu, permet d'accedir amb funcions genèriques a les seves funcions des del sistema operatiu.