Fundamentos de la Arquitectura de Ordenadores y Sistemas de E/S

La Unidad Central de Proceso (CPU)

La unidad central de proceso suele denominarse con las siglas CPU (Central Processing Unit) o UCP (Unidad Central de Proceso).

Componentes Principales

• Memoria: Se encarga de almacenar las instrucciones que constituyen el programa y, eventualmente, los datos y los resultados.
• Subsistemas de Entrada/Salida (E/S): Permiten la comunicación del ordenador con el exterior, realizando operaciones de recogida y envío de información a través de los dispositivos periféricos conectados al efecto.

Jerarquía y Tipos de Memoria

Memoria ROM (Read Only Memory)

La característica fundamental de la memoria ROM es su capacidad para almacenar, de forma permanente, la información, sin necesidad de contar con ningún tipo de alimentación eléctrica.

Diferencias entre RAM y ROM

• La RAM es de lectura y escritura, mientras que la ROM es de solo lectura.
• La RAM es volátil y la ROM es permanente.

Memorias Caché

Las memorias caché almacenan en unos chips de memoria ultrarrápida los datos más utilizados. Los ordenadores actuales suelen montar dos e incluso tres tipos:

• Memoria caché de primer nivel (L1): Está integrada en el microprocesador, en el mismo chip, por lo que tiene la misma velocidad que el bus del microprocesador.
• Memoria caché de 2º nivel (L2): Su tamaño es variable. Está en el mismo zócalo que el microprocesador, pero en distinto chip. La velocidad del bus es la mitad que la del microprocesador.
• Memoria caché L3: Se encuentra en algunas placas base. A medida que los microprocesadores comenzaron a incluir caché L2 dentro de sus arquitecturas, se comenzó a llamar caché L3 al caché extra integrado en las placas base entre el microprocesador y la memoria principal.

Gestión de Dispositivos y E/S

• Driver o manejador de dispositivo: Su función es traducir las órdenes de alto nivel a los comandos de bajo nivel que entiende el controlador. Es el encargado de dar órdenes, consultar el estado y atender interrupciones.
• Software del sistema operativo independiente de dispositivos: En caso de que el driver no pueda enmascarar un error, se comunica con el gestor de dispositivos del sistema operativo.
• Aplicación de usuario: Es el nivel más abstracto, donde parten las órdenes y se reciben los resultados.

Métodos de Transferencia

• E/S controlada por interrupciones: Cuando el periférico está listo, lo indica a la UCP mediante una señal de solicitud de interrupción. La UCP suspende la ejecución actual para atender la rutina de servicio de interrupción.
• E/S por acceso directo a memoria (DMA): Existe una interfaz (DMA) que libera a la UCP del control de la transferencia de datos. El controlador de DMA contiene:

Componentes del controlador DMA

• Registro de dirección: Almacena la dirección de la siguiente palabra a transmitir y se incrementa automáticamente.
• Registro contador de palabras: Almacena el número de palabras restantes y se decrementa automáticamente.
• Unidad de control del DMA: Comprueba el contador y, al llegar a cero, envía una señal de interrupción a la UCP indicando que la transferencia ha finalizado.

Ciclo de Instrucción

• Registro de instrucción (RI): Almacena la instrucción en curso proveniente de la memoria.
• Decodificador: Identifica la instrucción del RI para determinar los pasos elementales a seguir.
• Secuenciador: Distribuye las señales de control utilizando la información del decodificador, el registro de estado y el reloj.
• Reloj: Circuito oscilador que genera pulsos para marcar la temporización básica del sistema.

Elementos de Interconexión: Buses

La forma más usual de interconexión es a través de un bus. La operación básica de transferencia se denomina ciclo del bus.

Tipos de Buses

• Bus de datos: Transfiere la información entre los elementos del computador.
• Bus de direcciones: Designa la posición o dirección de los datos.
• Bus de control: Transfiere señales de control (lectura/escritura).

Características Técnicas

• Ancho del bus: Expresado en bits, determina cuántos datos pueden transferirse simultáneamente.
• Velocidad o frecuencia del bus: Refleja la cantidad de ciclos de transferencia por segundo, medida en MHz.