Fundamentos de la Arquitectura de Computadoras Digitales

Arquitectura Fundamental de Computadoras Digitales

Una computadora consta de tres componentes básicos, interconectados entre sí:

• Procesador
• Memoria
• Dispositivos de Entrada/Salida

Buses de Interconexión

La interconexión de estos bloques se realiza mediante tres buses:

• Bus de datos: Lleva los datos entre la CPU, la memoria y los módulos de entrada/salida.
• Bus de direcciones: Es controlado por la CPU y se utiliza para direccionar posiciones de memoria y puertos de entrada/salida.
• Bus de control: Son las señales que utiliza el procesador para controlar a los restantes dispositivos del sistema.

Microprocesadores y Microcontroladores

Ambos son CPU implementadas en un único chip. Difieren en su campo de aplicación:

• Microcontroladores: Son para aplicaciones específicas (controles industriales, equipamientos médicos, control de comunicaciones, etc.).
• Microprocesadores: Orientados a las computadoras de propósito general.

CPU: Unidad Central de Procesamiento

La CPU es la que controla el sistema y tiene varias partes:

• Unidad de Control (UC)
• Unidad Aritmético Lógica (ALU)
• Registros (de Direccionamiento y propósito general)

La UC regula el funcionamiento de todas las partes del sistema. Obtiene las instrucciones de la memoria y las interpreta.

Unidad de Control (UC)

Controla el funcionamiento del sistema:

• Obtiene las instrucciones, las decodifica y ejecuta.
• Se comunica con las restantes partes de la CPU para obtener los resultados de la instrucción.
• Controla el bus de datos y los restantes dispositivos para obtener y ejecutar las instrucciones.

ALU: Unidad Aritmético Lógica

Se puede considerar como un sistema combinacional que realiza las operaciones solicitadas por la unidad de control.

• Toma los datos de un par de registros de entrada, y el resultado es almacenado en un registro de salida.
• Información adicional sobre la operación realizada se guarda en un registro especial: el registro de FLAGS (banderas).

Funciones:

• Aritméticas: Suma, resta, división, multiplicación.
• Lógicas: And, or, xor, nor, nand, xnor.
• Desplazamiento y rotación.

Memoria

Tipos de memoria:

• Memorias RAM
• Memorias ROM
• Otras memorias: Stack, Caché

Sistemas de almacenamiento masivo:

• Discos duros, DK, CD, DVD.

Puertos de Entrada/Salida

Los Puertos de Entrada/Salida proveen la interfaz del sistema con el mundo exterior.

Ciclo de Ejecución de Instrucciones

Al comienzo de cada ciclo de instrucción, la CPU busca y capta una instrucción de la memoria (para ello usa el PC - Program Counter).

A menos que se indique lo contrario, la CPU incrementa el PC.

La instrucción captada se almacena en un registro llamado IR (Registro de Instrucción). Esta instrucción puede ser de 4 tipos distintos.

UNIDAD DE EJECUCIÓN (EU)

Está compuesta por los siguientes bloques:

• ALU cuyos operandos son de 16 bits.
• Registro de banderas (Flags).
• Registros de propósito general.

Estos registros son de 16 bits. Se pueden utilizar como registros de 8 bits, dividiéndolos en parte más significativa y menos significativa.

UNIDAD DE INTERFAZ DE BUS (BIU)

La BIU optimiza el manejo del bus de datos para acelerar el proceso de ejecución de instrucciones. Premisa: es mucho más lento traer las instrucciones de memoria que procesarlas.

Funciones de la BIU:

• Búsqueda de las instrucciones.
• Encolado de las instrucciones (en una memoria FIFO - First In, First Out). De esta cola la EU extrae las instrucciones a ejecutar.
• Búsqueda de los operandos.
• Manejo de las direcciones a memoria.
• Manejo del Bus de Datos.

Para ello, cuenta con una 'cola' de instrucciones, de forma que se van obteniendo mientras la EU está ocupada procesando instrucciones anteriores.