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Arquitectura del computador (página 2)




Enviado por Juan Palomino Ulfe



Partes: 1, 2

Los sistemas operativos controlan diferentes procesos de
la computadora. Un proceso importante es la interpretación
de los comandos que permiten al usuario comunicarse con el
ordenador (textual y gráfico). Todos los sistemas
operativos modernos son multitarea y pueden ejecutar varios
procesos simultáneamente. En la mayoría de los
ordenadores sólo hay una UCP; un sistema operativo
multitarea crea la ilusión de que varios procesos se
ejecutan simultáneamente en la UCP. El mecanismo que se
emplea más a menudo para lograr esta ilusión es la
multitarea por segmentación de tiempos, en la que cada
proceso se ejecuta individualmente durante un periodo de tiempo
determinado. Si el proceso no finaliza en el tiempo asignado, se
suspende y se ejecuta otro proceso. El sistema operativo se
encarga de controlar el estado de los procesos suspendidos.
También cuenta con un mecanismo llamado planificador que
determina el siguiente proceso que debe ejecutarse. El
planificador ejecuta los procesos basándose en su
prioridad para minimizar el retraso percibido por el usuario. Los
procesos parecen efectuarse simultáneamente por la alta
velocidad del cambio de contexto. Los sistemas operativos pueden
emplear memoria virtual para ejecutar procesos que exigen
más memoria principal de la realmente disponible. Con esta
técnica se emplea espacio en el disco duro para simular la
memoria adicional necesaria. Sin embargo, el acceso al disco duro
requiere más tiempo que el acceso a la memoria principal,
por lo que el funcionamiento del ordenador resulta más
lento.

  • CONCLUSIONES

  • Un Sistema Operativo es un programa grande y
    complejo que está compuesto, por una serie de
    componentes con funciones bien definidas ,así mismo
    podemos decir que el centro de un sistema operativo es el
    núcleo o Kernel, capa más cercana al hardware,
    encargada de gestionar los recursos hardware del sistema y
    suministra la funcionalidad básica del S:O.

  • Podemos decir que el sistema operativo realiza una
    serie de funciones que gestionan el funcionamiento del
    hardware y sobre el que se apoya el resto del software,
    conformando un entorno integrado de trabajo para el usuario y
    cuyo objetivo es simplificar el manejo y la
    utilización de la computadora, haciéndolo
    seguro y eficiente , así mismo el SO debe llevar la
    cuenta acerca de quién está usando qué
    recursos; otorgar recursos a quienes lo solicitan(siempre que
    el solicitante tenga derechos adecuados sobre el recurso); y
    arbitrar en caso de solicitudes conflictivas.

  • El funcionamiento del sistema operativo esta
    determinado por la planificación de tareas o procesos
    y por la gestión de memoria, en la
    planificación de procesos el sistema operativo
    determina que proceso debe ejecutarse en cada momento, en la
    mayoría de los sistemas operativos actuales
    implementan la memoria virtual, ocultando al usuario detalles
    de la implementación particular y creando la
    ilusión de existencia de recursos ilimitados (o
    abundantes).

  • Estas instrucciones del sistema operativo llevan a
    cabo tareas como habilitar y deshabilitar interrupciones,
    acceder a los registros usados por el hardware de
    protección de memoria, entre otras tareas, las
    también instrucciones de control pueden ejecutarse
    cuando el procesador esta en estado privilegiado esta
    ejecutando programa de zona privilegiada de
    memoria.

T7:

Unidad central de
procesamiento

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  • ESTRUCTURA

  • Esquema

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ESQUEMA N°1

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ESQUEMA N°2

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ESQUEMA N°3

Registro acumulador

  • Descripción del Esquema N°
    1

En el primer esquema tenemos una vista general de los
elementos que conforman la CPU. Para realizar las operaciones
descritas cualquier CPU dispone de un conjunto de bloques
funcionales, los cuales según el esquema vemos que se
conectan entre sí a través de un bus interno, cuya
descripción de cada bloque lo detallaremos en el esquema
N°3.

  • Descripción del Esquema N° 2 y
    3

Todos los datos proceden de cualquier periférico
o unidad de almacenamiento de computador. Empezando a realizar su
trabajo la ALU la cual se encarga de realizar las operaciones
aritméticas para ello dispone de un circuito combinacional
que realizan las operaciones y un conjunto de registros en los
que se almacenan tanto los operadores como los resultados de los
mismos. De todos los registros que emplea la ALU existe uno
denominado registro acumulador, que suele estar implicado
en la mayoría de las operaciones aritméticas y
lógicas como fuente y destino, este registro es de
carácter específico para la CPU.

Otro elemento que conforma la CPU es la Unidad de
Control,
la cual se encarga de la captura y la
decodificación de las instrucciones a ejecutar, siendo
esta la más importante de los elementos del CPU. Por otra
parte tenemos la Memoria principal, es el lugar en el que
se almacenan los datos y resultados de cualquier proceso. Esta
memoria está estructurada en celdas, en cada una de las
cuales entra una unidad específica de información,
según su posición la memoria almacena datos o
instrucciones.

Junto con el conjunto de módulos de memoria,
existe un elemento clave de un computador, nos estamos refiriendo
al Modulo de Entrada/Salida, cada modulo se conecta al bus
del sistemas o aun conmutador central y controla uno o más
dispositivos periféricos, pero no solo tiene esa
función, sino que además está dotado de
cierta inteligencia, es decir, contiene la lógica
necesaria para permitir la comunicación entre
periféricos y el bus.

  • FUNCIONES

  • Función de transferencia de
    datos

Calcula la dirección de memoria basándose
en el modo de direccionamiento utilizado, esta dirección
hace referencia a memoria virtual, en esta situación
traduce la dirección virtual a reala la vez determinar si
el elemento direccionado está en la cache, sino cursar la
orden al modulo de memoria.

  • Función Aritmética

Proporciona las operaciones aritméticas
básicas de suma, resta, multiplicación y
división. Esta operación implica operaciones de
transferencia de datos para ubicar los operandos como entradas a
la ALU, y almacenar la salida de la ALU.

  • Función Lógica

Realiza operaciones lógicas, realiza la
comparación lógica de dos o más operandos.

  • Función Conversión

Son aquellas funciones que cambian el formato u operan
sobre el formato de los datos, por ejemplo la conversión
de decimal a binario.

  • Función Control de flujo

Actualiza el contador del programa. En el caso de
llamadas y retornos de subrutinas, gestiona la transferencia y
enlace de parámetros.

  • Función Entrada/Salida

Durante un breve intervalo la CPU verifica todos los
módulos de entrada y registra el estado activo/inactivo de
los dispositivos de control, luego la CPU decide que salidas
deben activarse. Mientras el programa el usuario se está
ejecutando, estas decisiones se almacenan en una sección
de la memoria reservada para este propósito.

  • REPERTORIO DE INSTRUCCIONES

  • Operación transferencia de
    datos

Permite el movimiento entre distintos
dispositivos de almacenamiento del computador

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  • Instrucciones
    aritméticas

Trans. Una palabra desde un origen a la
cabecera de la pila. Se necesita especificar el tipo de
operación (suma, resta, multiplicación o
división), tipo de aritmética (con signo, sin
signo, entera, punto flotante, etc.); el tamaño de datos
sobre los que se opera y por último la dirección de
operandos fuente y destino.

Nombre de
operación

Descripción

ADD

CALCULA LA SUMA DE DOS
OPERANDOS

SUBSTRACT

Calcula la diferencia de dos
operandos

MULTIPLY

Producto de dos operandos

DIVIDE

Cociente de dos operandos

ABSOLUTE

Sustituye el operando por su valor
absoluto

NEGATE

Cambia el signo del
operando

INCREMENT

Suma uno al operando

DECREMENT

Resta uno al operando

  • Instrucciones
    lógicas

Permite realizar operaciones lógicas
bit a bit, entre los operandos o manipular un bit del operando.
Para esto es necesario especificar el tipo de operación,
el tamaño de datos sobre el que se opera dirección
de operación y el número de bit en las
instrucciones de manipulación de bit. A
continuación presentamos las instrucciones lógicas
que se realizan en el proceso:

Instrucción

Descripción

AND

Realiza la operación
and

OR

Realiza la operación
OR

NOT

Realiza el complemento

XOR

Realiza la operación
XOR

COMPARE

Realiza la comparación
lógica o aritmética de dos o más
operandos

SET

Instrucciones que fijan controles
para protección, gestor de interrupciones, control
de temporizador, etc.

SHIFT

Desplaza el operando a la izquierda,
introduciendo valores constantes por el otro
extremo

ROTATE

Desplaza el operando a la izquierda
de forma cíclica

TEST (COMPROBAR)

Comprueba la condición
especificada.

  • Instrucciones del control de
    flujo

Permite romper la secuencia normal de
ejecución y saltar a una determinada dirección
especificada en la instrucción.

Instrucción

Descripción

JMP

Salta (jump) a la dirección
especificada

BCC

Bifurca a la dirección
especificada si la condición es cierta

JSR

Salto de subrutina, guarda en pila PC
y estado

RTS

Retorno de subrutina

SKIP

Salta el número de
instrucciones especificado

NOP

No ejecuta ninguna operación,
pero la ejecución continua
secuencialmente.

  • Instrucciones de E/S

Instrucción

Descripción

INPUT

Transfiere datos desde un puerto o
dispositivo de E/S al destino que puede ser la memoria
principal o registro del procesador.

OUTPUT

Transfiere datos desde el origen
especificado a un puerto o dispositivo de E/S

STAR I/O

Transfiere instrucciones al
procesador de E/S para iniciar operaciones de
E/S

TEST I/O

Transfiere información de
estado desde el sistema de E/S al destino
especificado.

  • Instrucciones de
    conversión

Instrucción

Descripción

TRANSLATE (TRADUCIR)

Traducción de los valores de
una sección de memoria basada en una tabla de
correspondencia.

CONVERT (CONVERTIR)

Convierte el contenido de una palabra
de un formato a otro.

  • FUNCIONAMIENTO

Como ya se menciono anterior mente las instrucciones de
cada una de las operaciones que realiza el computador ahora
veremos cómo se interrelacionan cada una de estas
operación y hacen efectivo el repertorio de instrucciones
en cada proceso de la CPU.

  • Se empieza por buscar una instrucción en la
    memoria, para ello la unidad de control proporciona a la
    memoria la dirección donde se encuentra la
    instrucción y la orden de lectura necesaria. La
    dirección de la instrucción que se va a
    ejecutar se encuentra en un registro denominado contador de
    programa el cual apuntara la dirección de memoria
    donde se encuentra la instrucción que va a ejecutarse.
    A esta fase se la conoce como fase de
    búsqueda.

  • Una vez leída la instrucción debe
    analizarse (decodificarse) para saber que operaciones hay que
    realizar y generara las señales de control oportunas.
    En algunos diseños de la Unidad de Control, las
    señales se generan en barios ciclos de reloj, por lo
    que es necesario que durante ese tiempo la instrucción
    que se está ejecutando permanezca almacenada en un
    registro interno, que recibe el nombre de registro de
    instrucción.

  • La operación que deba realizarse implicara a
    uno o barios operandos que podrán estar previamente
    almacenados en los registros internos de la CPU o en memoria.
    Según su ubicación la Unidad de Control genera
    las órdenes oportunas para activar las salidas de los
    registros o para iniciar una o barias operaciones. En esta
    parte del funcionamiento de hace una búsqueda de
    operandos.

  • Una vez que se conoce la operación que
    realiza la instrucción y se dispone de los operandos
    solo queda realizar la operación. Esta fase se conoce
    como fase de ejecución e implica en la mayoría
    de las veces la intervención de la Unidad
    Aritmético Lógica (ALU).

  • Una vez que la ejecución de la
    instrucción ha producido un resultado, estos se
    almacenan en la memoria o en alguno de los registros
    internos. En esta etapa el computador realiza lo que se llama
    almacenamiento de resultados.

  • Una vez finalizada la ejecución de la
    instrucción, contador de programa debe incrementarse
    para pasar a apuntar a la siguiente instrucción. Sin
    embargo, esta tarea no se realiza al final sino en la etapa
    de búsqueda, por lo que una vez se haya buscado una
    instrucción el contador de programa pasa
    inmediatamente a apuntar a la siguiente instrucción a
    ejecutarse.

  • CONCLUSIONES

  • La unidad central de proceso es una compleja
    estructura como se apreció en su esquema y cada uno de
    sus elementos está íntegramente relacionados
    entre ellos, avilantando problemas en la recepción,
    almacenamiento y transferencia de datos.

  • En cada una de las funciones que tiene la CPU,
    tienes una relación con las operaciones que realiza ya
    sea, en la transferencia de datos, operaciones lógicas
    y aritméticas, en los registros, en las memorias y los
    dispositivos de E/S.

  • El funcionamiento de la CPU está determinado
    por las instrucciones que ejecuta, estas instrucciones
    están ordenadas de acuerdo a la operación que
    sea necesaria ejecutar. Al conjunto de instrucciones que
    puede ejecutar la UCP se le denomina repertorio de
    instrucciones.

  • Todos los datos procedentes de cualquier
    periférico o unidad de almacenamiento del PC llegan a
    la memoria. El microprocesador entonces se capaz de leer la
    información contenida en estas direcciones de memoria.
    La CPU simplemente procesa los datos y las vuelve a guardar a
    la Memoria y el destino gracias a su conexión
    física con el procesador será capaz de leer de
    nuevo del bus de datos la posición de memoria
    deseada.

T8:

Unidad de
control

  • ESTRUCTURA

  • Esquema

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Bus de Datos

ESQUEMA N° 1

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ESQUEMA N° 2

  • Descripción del Esquema N°
    1

La Unidad de Control recibe entradas del reloj, del
registro de instrucción, y de los indicadores. En cada
ciclo de reloj, la unidad de control lee todas sus entradas y
emite un conjunto de señales de control que van a
través de una serie de buses que llevan y traen datos
hacia tres destinos distintos: Camino de Datos, ALU y Bus del
Sistema.

La Unidad de Control usa los pulsos del reloj para
temporizar la secuencia de eventos, dejando un tiempo entre
evento y evento hasta que se estabilicen las
señales.

  • Descripción del Esquema N°
    2

El código del ciclo de instrucción se
encarga de realizar el ciclo de interrupción en el cual
establece la interrupción para luego proceder a realizar
el ciclo de captación, encargándose este ultimo de
captar la instrucción y si se realiza un direccionamiento
indirecto procederá a realizar el ciclo indirecto en el
cual se encargara de leer la dirección de la
instrucción, pero si no realiza el direccionamiento
indirecto realizara el ciclo de ejecución,
encargándose este ultimo de realizar un código de
operación para ejecutar las instrucciones pero si se
produce una interrupción habilitada realizara el ciclo de
interrupción, pero si no se produce una
interrupción habilitada se procederá ha realizar
nuevamente el ciclo de captación.

Al final de cada uno de los cuatro ciclos. El ICC se
actualiza convenientemente. El ciclo indirecto siempre viene
seguido del ciclo de ejecución. El ciclo de
interrupción siempre es seguido por el ciclo de
captación.

  • FUNCIONES

  • La unidad de control se encarga de decodificar los
    códigos de operación y los modos de
    direccionamiento de las instrucciones actuando de forma
    diferente para cada uno de ellos.

  • La unidad de control se encarga de la
    temporización de las distintas operaciones necesarias
    para la ejecución de cada instrucción,
    controlando el secuenciamiento de las instrucciones en
    función de la evolución del registro contador
    de programa.

  • REPERTORIO DE INSTRUCCIONES

  • La unidad de control realiza el ciclo de
    instrucción que consiste en alternar las actividades
    de captación y ejecución de instrucciones.
    Después de que una instrucción sea captada, es
    examinada para determinar si incluye algún
    direccionamiento indirecto si es así, los operandos
    requeridos se captan usando direccionamiento indirecto. Tras
    la ejecución se puede procesar una interrupción
    antes de la captación de la siguiente
    instrucción.

  • La unidad de control es del tipo microprogramado y
    de ella forma parte: el contador de microprograma, la memoria
    de microprogramas, el registro de microinstrucciones y un
    multiplexor de señales externo. El contador de
    microprograma indica a través de mpc que
    microinstrucción se ejecutara durante el
    próximo ciclo del reloj interno. Este contador
    direcciona a una memoria donde reside el microprograma, cuyo
    secuenciamiento viene determinado por la búsqueda de
    instrucción. El registro de macroinstrucción
    guarda durante un ciclo de reloj una microinstrucción,
    sus señales de salida se agrupan en cuatro campos: el
    primero que controla la señal de condición
    externa, la cual es introducida en el contador de
    microprograma a través del mux; y el segundo que
    proporciona la dirección de la próxima
    microinstrucción en el caso de producirse un salto en
    el microprograma.

  • FUNCIONAMIENTO

La unidad de control sigue la dirección de las
posiciones en memoria que contiene la instrucción que la
computadora va a realizar en ese momento; recupera la
información poniéndola en la ALU para la
operación que debe desarrollar. Transfiere luego el
resultado a ubicaciones apropiadas en la memoria. Una vez que
ocurre lo anterior, la unidad de control va a la siguiente
instrucción (normalmente situada en la siguiente
posición, a menos que la instrucción sea una
instrucción de salto, informando a la computadora de que
la próxima instrucción estará ubicada en
otra posición de la memoria).

  • CONCLUSIONES

  • La unidad de control no emite todas las ordenes a la
    vez, sino que sigue una determinada secuencia utilizando un
    reloj que se encargara de sincronizar las acciones de la
    unidad de control y que indica el instante en que debe
    ejecutar una determinada fase de la instrucción;
    cuanto más rápido marque el tiempo, más
    rápida será la ejecución de la
    instrucción. Sin embargo, hay un límite, ya
    que, si marca excesivamente rápido, es posible que no
    puedan cumplir adecuadamente las órdenes de los
    diferentes elementos, por lo que se producirán
    errores.

  • La función principal de la unidad de control
    de la UCP es dirigir la secuencia de pasos de modo que la
    computadora lleve a cabo un ciclo completo de
    ejecución de una instrucción, y hacer esto con
    todas las instrucciones de que conste el programa.

  • Los diversos repertorios de instrucciones utilizan
    una gran variedad de ciclos de instrucción como son de
    la unidad de control: El ciclo indirecto, captación,
    interrupción y ejecución.

  • Existen dos tipos de unidades de control, las
    cableadas, usadas generalmente en máquinas sencillas,
    y las micro programadas, propias de máquinas
    más complejas. En el primer caso, los componentes
    principales son el circuito de lógica secuencial, el
    de control de estado, el de lógica combinacional y el
    de emisión de reconocimiento de señales de
    control. En el segundo caso, la microprogramación de
    la unidad de control se encuentra almacenada en una micro
    memoria, a la cual se accede de manera secuencial para
    posteriormente ir ejecutando cada una de las
    microinstrucciones.

 

 

Autor:

Juan Palomino Ulfe

 

Partes: 1, 2
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