Arquitectura del ordenador

Todo ordenador consta de dos zonas fundamentales: la unidad central de proceso (UCP o CPU, según se utilicen las siglas españolas o inglesas), encargada de la ejecución de los programas, y varios dispositivos periféricos que permiten al ordenador comunicarse con el exterior, ya sea para capturar datos y mostrar resultados o bien para almacenar grandes volúmenes de información en soportes

Unidad central de proceso – Arquitectura del ordenador

El auténtico cerebro del ordenador es la unidad central de proceso (UCP), en torno a la cual se organizan los restantes elementos del sistema informático.

En la CPU de los ordenadores digitales cabe distinguir tres zonas básicas: memoria principal, procesador y unidades de entrada/salida. A su vez, el procesador está integrado por dos unidades esenciales: unidad de control y unidad aritmético-lógica.

CPU

CPU

El conjunto de bloques constitutivos de la unidad central de proceso aparece enlazado por tres mazos de líneas conductoras denominados buses: de datos, de direcciones y de control.

Memoria principal – Arquitectura del ordenador

En ella se almacenan dos tipos de información: el programa o secuencia de instrucciones a ejecutar y los datos a procesar en virtud de los dictados del programa.

La memoria principal-también denominada memoria interna o centralestá constituida por un conjunto de celdas capaces de almacenar cada una de ellas un bit de información. Las referidas celdas suelen agruparse en bloques de 8, denominados posiciones o palabras de memoria, de tal forma que la escritura y lectura de datos se realiza en conjuntos de 8 bits: un byte u octeto.

Esquema CPU - Arquitectura del ordenador

Esquema CPU

Con el fin de que la unidad de control (UC) pueda diferenciar entre cada una de las posiciones de memoria que almacenan un byte, éstas son identificadas por medio de un número que constituye su dirección.

Conociendo la dirección de una determinada posición de memoria, se puede leer la información que contiene o escribir un nuevo dato en su interior. Para facilitar estas operaciones la memoria dispone de dos registros especiales: el registro de dirección y el registro de intercambio o de datos.

Según se vaya a efectuar una operación de lectura o de escritura, se seguirán los siguientes pasos:
* Lectura
– La dirección de la posición de memoria en la que se encuentra el dato a leer se deposita en el registro de dirección.
– La información contenida en la posición direccionada pasa al registro de intercambio o de datos.
– Finalmente, ya sólo hay que transferir el contenido del registro de intercambio a la zona del procesador que deba realizar su tratamiento.
* Escritura
– El dato a escribir en memoria se deposita en el registro de datos o intercambio.
– Acto seguido se traslada la dirección de la posición de memoria afectada por la escritura al registro de dirección.
– Una vez que llegue a la memoria la correspondiente orden de escritura, el contenido del registro de intercambio será volcado en la posición apuntada por el registro de dirección.

La memoria principal del ordenador - Arquitectura del ordenador

La memoria principal del ordenador

Las operaciones de lectura no destruyen la información almacenada en la posición de memoria afectada. Por el contrario, las operaciones de escritura sí destruyen la información previamente almacenada al sustituirla por otra.

Unidad de control

La unidad de control, integrada en el procesador, se encarga de desencadenar, controlar y coordinar el conjunto de operaciones cuya puesta en práctica dará el oportuno tratamiento a la información.

Su cometido obedece a las indicaciones contenidas en el programa. Como resultado de la interpretación del mismo, la unidad de control genera el conjunto de órdenes elementales que revertirán en la ejecución de la tarea solicitada.

Esquema de una unidad de control

Esquema de una unidad de control

En líneas generales su actuación se concreta en los siguientes puntos:
* Extae de la memoria principal la instrucción a ejecutar.
Para ello dispone de un registro denominado contador de instrucciones o contador de programas, en el que almacena la dirección de la posición de la memoria principal que contiene la próxima instrucción a ejecutar. Posee además un segundo registro, el registro de instrucción, en el que deposita las sucesivas instrucciones del programa, una vez leídas de la memoria principal. Este último registro está dividido en dos zonas: la primera contiene el código de operación (CO) que identifica la operación a ejecutar (suma, resta…), y la segunda la referencia (dirección) de la posición de memoria en la que está almacenado el operando o dato.
* Una vez conocido el código de la operación a realizar, la unidad de control sabe qué circuitos de la unidad aritmético-lógica deben intervenir, y puede generar en consecuencia, las oportunas ordenes de control a través del secuenciador.
* A continuacíon extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción en curso. Para ello simplemente ordena la lectura de la posición, cuya referencia se encuen tra en la segunda zona del registro de instrucción.
* Ordena a la unidad anitmético-lógica que efectúe las oportunas operaciones elementales. El resultado de este tratamiento se deposita en un registro especial de la unidad aritmético-lógica denominada acumulador.
* Si la instrucción ha proporcionado nuevos datos, éstos son almacenados en la memoria principal.
* Por último, incrementa en una unidad el contenido del contador de instrucciones, de tal forma que coincida con la dirección de la próxima instrucción a ejecutar.

Algunas instrucciones, como por ejemplo las de bifurcación, se limitan a modificar el contador de programas, con objeto de que la siguiente instrucción a procesar no sea la que se encuentra inmediatamente a continuación de la que está en curso.

Unidad aritmético-lógica

La misión de la unidad aritmético-lógica-integrada en el procesador-es operar los datos que recibe, de acuerdo a las órdenes procedentes de la unidad de control. El nombre que se otorga esta unidad es revelador de la capacidad de la UAL para realizar tanto operaciones aritméticas elementales como operaciones basadas en la lógica Booleana (complementación, suma lógica, producto lógico…).

Líneas de control

Líneas de control

Para que la unidad aritmético-lógica dé curso a una operación, debe recibir todos los datos implicados en ella y las órdenes de control apropiadas. Por ejemplo, si se trata de realizar una su ma, debe recibir:
– Sumandos que intervendran en la operación.
– Orden de suma aritmética.
– Referencia de la posición de memoria donde debe depositar el resultado de la suma.
– Orden para la escritura del resultado-el cual se encuentra en el registro de la UAL denominado acumulador-en la posición de memoria referenciada.
El hecho de que una sencilla instrucción de suma se traduzca en una densa cadena de procesos elementales, obedece a la actuación de la unidad de control.
Al interpretar el código de operación de la referida instrucción de suma, la UC genera una secuencia de tres microinstrucciones elementales que afectan tanto a la memoria principal como a la unidad aritmético-lógica, incluyendo, por supuesto, a su registro de operación: el acumulador.

Unidades de entrada/salida

La responsabilidad de las unidades de entrada/salida (E/S) es garantizar la perfecta transferencia de informaciones entre el núcleo del ordenador-la unidad central de proceso-y los dispositivos periféricos asociados.

Su misión se extiende tanto a la conversión del formato de las informaciones como a la adaptación de los métodos de diálogo o protocolos de comunicación.

Según el tipo de periférico con el que enlace, la correspondiente unidad de E/S operará transferencias de información en un solo sentido (entrada o salida) o en ambos (entrada/salida).
El estudio detallado de este tipo de unidades tendrá lugar en un próximo capítulo.

Circuiteria electrónica constitutiva de la unidad central de proceso de un microordenador.

Circuiteria electrónica constitutiva de la unidad central de proceso de un microordenador.

Buses de comunicación

La comunicación entre los bloques que constituyen la arquitectura interna de la unidad central de proceso se establece a través de tres grupos de líneas o buses: bus de datos, bus de direcciones y bus de control.
* Bus de datos
Sirve para canalizar el intercambio de instrucciones y datos. Una de las características esenciales de cualquier procesador es el número de bits que transfiere simultáneamente a través del bus de datos. Obviamente, a cada bit corresponde una línea del referido bus. Cuanto mayor sea el número de bits, mayor es la longitud de la palabra binaria procesada por la máquina y, en consecuencia, mayor es su potencia de tratamiento.

La mayor parte de los microordenadores actuales están basados en microprocesadores, cuyo bus de datos es de 16 ó 32 bits.

* Bus de direcciones
Este segundo mazo de líneas transfiere, en el seno de la UCP, las palabras binarias representativas de direcciones de memoria.
A través del mismo el procesador accederá selectivamente a las posiciones de la memoria central en las que deba escribir o leer un dato.

Para determinar el espacio de memoria principal directamente direccionable por el procesador hay que tener en cuenta el número de líneas que integran su bus de direcciones.

Generalmente, los procesadores de 8 bits poseen un bus de direcciones de 16 líneas, lo cual les permite acceder directamente a un máximo de 216 = 65.536 posiciones de memoria. Los procesadores de 16 bits suelen contar con un bus de direcciones de 32 líneas y los de 32 bits con un bus de 64
líneas.

* Bus de control
Está formado por un número variable de líneas a través de las que el procesador controla a las unidades complementarias. Evidentemente, el número de líneas depende en cada caso del tipo de procesador de que se trate.

El oscilador/reloj

Además de los tres buses descritos, la UCP cuenta con un oscilador/reloj. Dicho circuito entrega una señal de cadencia cons tante que es utilizada por el procesador para acompasar y sincronizar las operaciones.

Cuanto mayor sea la cadencia de la señal de reloj-medida en Hertzios o ciclos por segundo-, mayor será la velocidad de proceso del ordenador. Frecuencias de reloj habituales en los microordenadores son 33, 40, 50, 100, 1000…. Mhz. En muchos casos, esta frecuencia de reloj es utilizada por los
circuitos periféricos y se dobla para el funcionamiento interno del microprocesador. Así pues, un ordenador con un microprocesador de 66 Mhz puede tener muchos de los circuitos externos funcionando a 33 Mhz. Dispositivos periféricos

El oscilador. Reloj

El oscilador. Reloj

Los periféricos forman parte, junto con la unidad central de proceso, de la arquitectura de un sistema ordenador.

Cabe distinguir tres grandes grupos de unidades periféricas: de entrada, de salida o de almacenamiento masivo.

Periféricos para facilitar la entrada de datos son, por ejemplo, el teclado, la tableta digitalizadora o el lápiz óptico.

Ordenador equipado con periféncos de entrada (teclado), salida (pantalla e impresora) y almacenamiento (unidades de disco flexible).

Ordenador equipado con periféncos de entrada (teclado), salida (pantalla e impresora) y almacenamiento (unidades de disco flexible).

Como periféricos orientados a la salida de información cabe citar al monitor o pantalla de visualización, la impresora y el trazador gráfico. Periféricos de almacenamiento masivo son las unidades de disco flexible o rígido, y las unidades de cinta magnética. Los dispositivos periféricos constituyen el tema abordado en la tercera parte de este volumen.

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