UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 UT1: Estructura de una computadora. Sistemas de numeración binaria.
1.- Procesamiento Analógico – Digital El tránsito de la Electrónica a la Microelectrónica está caracterizado por el cambio en el Modo de Operación de Procesamiento Analógico a Digital. Originalmente el procesamiento de señales se realizaba casi siempre en forma analógica, siendo uno de los casos más comunes, por lo cotidiano, el hablar por teléfono. Al hablar por teléfono, se observa que las ondas sonoras generadas por la persona que habla son transformadas por el micrófono en señales analógicas o sea señales eléctricas de tensión y frecuencia correspondientes a las ondas sonoras, las que a continuación se transmiten de esta manera a través del cable. En el auricular de la persona receptora y/o que escucha, las oscilaciones eléctricas se transforman nuevamente en ondas sonoras completándose la comunicación. Este mismo caso sirve de ejemplo para pasar del mundo analógico al digital y viceversa, ahora al hablar por telefonía digital, se observa la transición del modo analógico al digital ya que las mismas ondas sonoras generadas por la persona que habla son transformadas por el teléfono en señales digitales, las que a continuación se transmiten de esta manera a través del aire en telefonía celular, pasando por sucesivas procedimientos de conversión de señal analógica a digital y , de digital a analógica. En el auricular de la persona receptora y/o que escucha, las oscilaciones eléctricas se transforman nuevamente en ondas sonoras completándose la comunicación. La relación sería, pasar de señales analógicas a digitales cuando hablamos y transmitimos, luego cuando recibimos, o hacemos en señales digitales a las que luego se convierten a analógicas para que físicamente la podamos escuchar. De manera que en los sistemas telefónicos digitales se reemplaza la transmisión analógica por métodos de transmisión digital, aunque siempre escuchamos señales analógicas. No se transmite una corriente que corresponde al nivel sonoro momentáneo, como era la comunicación analógica, sino que una secuencia de impulsos indica los valores numéricos de la presión acústica. Gráficamente se indica el paso de procesamiento analógico al digital en la Fig.1 ) Procesamiento Analógico - Digital. La señal analógica se divide en muestras tomadas (o medidas) en intervalos muy pequeños. Corresponde para un sistema de 16 bits la cantidad de 65536 muestras/seg (216 ), y para un sistema de 32 bits la cantidad de muestras/seg serían de 232 muestras/seg. Más detalle de bit se verá en el punto2). Cuanto mayor es la cantidad de muestras, se aumenta la probabilidad de reproducir con precisión una señal analógica digitalizada como se observa en los ejemplos de la Fig.1) y Fig.2) siguientes.
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2.- Sistemas de numeración binaria La elaboración, procesamiento y transmisión de la información digital se realiza mediante la representación binaria la que se utiliza para diferentes aplicaciones, unas de las cuales es la indicada en el Ejemplo de Sistemas Telefónicos y su analogía con un Computador al final del presente escrito. El sistema de numeración binaria está relacionado con otros sistemas de numeración como el decimal, hexadecimal y octal. Asociados al sistema de numeración binaria se encuentran el código decimal binario, BCD, Binary Code Decimal, el código de Gray y el código ASCII ( American Standard Code for Information Interchange). Estos códigos así como las operaciones numéricas se verán en forma específica en otras asignaturas de la carrera. En forma sintética se puede decir que el código decimal binario (BCD) es un código ponderado que se utiliza comúnmente en sistemas digitales cuando se necesita mostrar números decimales tal como un display de reloj; el código Gray es un código sin ponderación que cambia sólo un bit entre una palabra de código y la siguiente en una secuencia, se utiliza para evitar problemas en sistemas donde un error puede ocurrir si más de un bit cambia en una transición en secuencia; el código ASCII es un código de caracteres alfanuméricos y caracteres de control con un total de 128 caracteres originalmente, y en 1981, IBM introdujo el código ASCII extendido, el cual es un código de 8-bit y se aumentó el conjunto de caracteres a 256. En la Fig.2) Representación Binaria se observa que una Señal Analógica es digitalizada o representada en escalones con valores numéricos sin inclusión de valores intermedios. La cantidad de escalones por unidad de tiempo puede variar, dependiendo de la exactitud con la que se quiera reproducir la señal analógica. A mayor cantidad de escalones le corresponde una mayor aproximación a la curva real. La altura de los escalones, cada altura equivale a una muestra, se puede representar de distintas maneras, una de las cuales es indicar la altura con un número decimal, como ser identificando 16 unidades de altura mediante un número entre 0 a 15.La otra forma es utilizando dos números 0 y 1 ó combinación de los mismos para representar la altura como lo indica la Fig.2). Cada muestra es cuantificada mediante niveles de tensión 7, 5, 4 Volts, etc. Cada uno de los valores cuantificados se traduce a una combinación de 0 y 1, y se codifica en la forma de un tren de impulsos eléctricos. Tomando como ejemplo las Figuras 2 b) y 2 c) los escalones identificados con los valores 7, 5 y 4, equivalen a la combinación de 0 y 1 siguiente: 7 ----- 111
5 ------ 101
4 ------ 100
Esta forma de representar un número decimal con 0 y 1 se conoce como numeración binaria por tener base 2. El sistema de numeración con la base más pequeña al tener dos dígitos, 0 y 1, es el binario. En numeración binaria un número se representa como la suma de sucesivas potencias de base 2.Tomando como ejemplo los números binarios 111, 101, 100 la equivalencia decimal es: 3/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 1 x 2^2 = 4 1 x 2^1 = 2 1 x 2^0 = 1 -----7
1 x 2^2 = 4 0 x 2^1 = 0 1 x 2^0 = 1 -----5
1 x 2^2 = 4 0 x 2^1 = 0 0 x 2^0 = 0 -----4
Una tabla de conversión entre un número decimal con base 10 y un número binario con base 2, se indica en la Tabla 1). Cualquier otro sistema de numeración como el Octal (base 8) o Hexadecimal (base 16) se puede representar como combinaciones de 0 y 1 a forma binaria ocurriendo lo mismo si queremos pasar de cualquiera de esos sistemas al binario. Tabla 1) Tabla de Conversión BINARIO
DECIMAL
2^4
2^3
2^2
2^1
2^0
10^2
16
8
4
2
100
1 1 1 1 0 0 0 0 1
1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
1 1 1 1 1
10^1 10
1 1 1
10^0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2
La representación Binaria posibilita que toda información elaborada o manejada por una Computadora tenga como base el elemento de 2 estados o elemento Binario. En el Sistema Binario se utilizan dos dígitos (0-1) mientras que en el Sistema de Numeración Decimal se utilizan 10 dígitos ( 0 - 9 ). El sistema binario permite relacionar la forma de trabajar de la circuitería digital con la transmisión y tratamiento de la información codificada en base a los 0 y 1. Se pueden codificar en binario todas las letras desde la A hasta la Z, números decimales y símbolos como + , - , % , *, $ , etc. Esto significa que los dispositivos electrónicos reconocen únicamente la forma de funcionamiento SI - NO similar a una Llave (Conduce - No Conduce / SI - NO).
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 S
Vcc
iL
L
- La Llave S en posición Abierta se indica con NO ó Lámpara Apagada y le corresponde 0 - La Llave S en posición Cerrada se indica con SI ó Lámpara Encendida y le corresponde 1 1
- En total hay 2 = 2 combinaciones posibles de la Llave S De la técnica binaria, que opera con dos niveles lógicos 0 y 1, surgen circuitos básicos para elaboración y tratamiento de información como son las Compuertas AND (Y) , OR (O) y circuitos de negación como NOR y NAND. A partir de estos circuitos básicos se obtienen circuitos para funciones más complejas como comparadores, contadores, sumadores, etc. Las diferentes funciones de los circuitos son programables lo que significa que un mismo circuito mediante una serie de ordenes que constituyen un programa, pueden ser adaptados en su función a distintas operaciones de acuerdo a los requerimientos específicos por parte del usuario. Por lo tanto mediante un conjunto de ordenes de un programa o SOFTWARE se determina la manera de trabajar de la parte FISICA/CIRCUITO/HARDWARE. El circuito integrado programable más difundido en Informática es el MICROPROCESADOR (μP) en relación con el surgimiento y posterior desarrollo de computadoras. A este elemento se agrega el MICROCONTROLADOR (μC) de amplia difusión en dispositivos electrónicos e aplicaciones específicas. El Microprocesador más el agregado de otras unidades funcionales como las memorias, circuitos de entrada/salidas y generador de cadencias constituyen las partes esenciales de una Microcomputadora. La manera de trabajar de los circuitos lógicos similar a una llave, es la base de funcionamiento de las Computadoras Digitales ya que se fundamenta en la Presencia / Ausencia de Tensión (o de Información), Encendido/Apagado, ON/OFF correspondiendo un Nivel Lógico de 0 o 1 respectivamente. La unidad elemental de información se conoce como Bit (Binary Digit) y puede tomar los valores “0” y “1”, de forma tal que la presencia o ausencia de un “0” o “1” da un Bit de información. Un Byte equivale a 8 Bits. Cuando un P es de 8 Bits significa que la línea de datos es de 8 Bits y puede 8
transmitir hasta 2 posiciones o combinaciones de 0 y 1.
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 Ejemplos : 1
1 Bit representa 2 estados - 2 2 Bits
“
4
“
2
-2
3
3 Bits “ 8 “ -2 ......................................................... ......................................................... n Bits
“
2
n
“
n
-2
3.- Funciones Lógicas Las diferentes funciones lógicas como las compuertas AND, OR y NOR , tienen asociadas una Tabla de Funcionamiento o Tabla de Verdad que indica la forma de trabajar de las mismas. Es conveniente tener presente que: Nivel Lógico 1 VERDADERO Nivel Lógico 0 FALSO
SI NO
+V 0V
Tabla 2) Tabla de Verdad de algunas compuertas
Entrada
Salida
S1
S2
OR
AND
NOR
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
0 0 0 1
1 0 0 0
Fig.3) Circuitos asociados a funciones lógicas elementales a) Compuerta AND
b) Compuerta OR S1
S1
S2 S2 Vc
Vc
iL
Símbolo Lógico
iL
L
L
Símbolo Lógico 6/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 S1
S1
S2
S2
La denominación de compuertas AND, OR, NAND, NOR , etc., provienen de la función lógica y no de la matemática. Una compuerta AND se puede construir con interruptores como lo incida la Fig.3.a). Se enciende la lámpara L si los dos interruptores S1 y S2 están cerrados, por lo tanto a la salida tenemos un 1 (ON / ENCENDIDO). Caso contrario uno cualquiera de ellos que esté abierto la lámpara L permanece apagada y tenemos un 0 a la salida (OFF / APAGADA). En la compuerta OR, Fig. 3.b) tenemos un 1 a la salida, equivalente a lámpara encendida, si uno de los interruptores S1 ó S2 están cerrados. Si S1 y S2 están abiertos tenemos un 0 a la salida y L estará apagada. El funcionamiento de ambas compuertas responde a la Tabla 2) anterior. A partir de los ejemplos de funcionamiento de compuertas AND y OR estamos en condiciones de establecer que la combinación de varios Circuitos Lógicos o Biestables (Flip - Flop) permite representar letras, números y símbolos especiales .Dependiendo de la cantidad de dichos elementos se puede hablar de la capacidad de memoria o de almacenamiento que tiene una Computadora. Los circuitos electrónicos involucrados en una Computadora trabajan más rápidamente reconociendo la Ausencia o Presencia de 0 y 1 que trabajando en la forma Analógica. Cada carácter, letra o símbolo, requiere para su representación de una determinada cantidad de Bits. Esta representación depende del tipo de máquina y para el caso particular de un P como el Z80 es de 8 bits. Agrupando varios caracteres se forma lo que se conoce como Palabra. Ejemplo: A7Z$ --- es una palabra que significa algo en algún programa, no significa nada en Castellano . 1 Carácter (letra o Número ) = 1 Byte = 8 bits.
4.- Estructura Básica de una Computadora Una Computadora es un dispositivo electrónico utilizado para procesar datos e información y obtener resultados. En cualquier operación con computadora existen tres partes diferenciadas: datos significativos, procesamiento o interpretación de los datos, e información resultante. Las partes básicas de una computadora son la CPU, unidad central de procesamiento, la Memoria y los elementos o unidades de entrada/salida (E/S, ó de I/O). La CPU tiene funciones básicas como las de leer instrucciones, realizar operaciones aritméticas y lógicas, y almacenar temporalmente instrucciones o datos en registros internos. La Unidad de memoria almacena 7/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 programas, datos e información. Por último las unidades de I/O realizan la comunicación entre la CPU con los llamados periféricos externos como teclado, monitor, impresora, mouse, etc. La conexión entre los distintos elementos de una computadora se realizan través de los llamados buses que hacen a la comunicación interna y son tres: bus de direcciones, bus de datos y bus de control. A continuación se procede a detallar el alcance de los diferentes temas mencionados anteriormente. Un Dato es la Unidad de información ó cualquier información utilizada ó que interviene en la realización de una decisión ó proceso de cálculo. Los datos son símbolos que agrupados ordenadamente describen Hechos ó Entidades, Ejemplos: letras, números, dibujos, caracteres especiales, movimientos de los labios y manos, etc. Los Hechos son los sucesos o acontecimientos que ocurren en un instante determinado. Ejemplos: un accidente de autos, un examen final, compra de un libro, etc. Las Entidades son los símbolos que representan a personas, lugar ó cosa. Ejemplos: un alumno una calle, un auto , etc. Cualquiera sean los símbolos, para que sean reconocidos como datos deben ser significativos o sea que deben satisfacer las condiciones siguientes : - Reconocibles o Posibles de Interpretar. Ejemplo: 25/05/1810 tiene significado para los argentinos pero no para los habitantes de otros países. - Integramente Disponibles. Ejemplo: nombre de una persona Ro ...... Fe.......Esta manera de indicar no representa nada, en cambio poner el nombre completo de una persona ,Roberto Fernandez , si tiene significado. - Inequívocos : es clave conocer el contexto al cual pertenecen. Ejemplo: 212184. En sí mismo no tiene significado salvo que agreguemos referencias como ser Nro. Tel, $,Código especial, Patente, etc. - Relevantes (Pertinentes ) : Son los efectivamente importantes para tomar una decisión. Ejemplo: “Ir a un lugar “. Necesitamos conocer la dirección, líneas de omnibus, trenes que pasan por el lugar, etc. En cambio no necesitamos conocer el nombre del chofer, color del vehículo, estado de la economía, etc , puesto que no hacen al tema planteado. Procesamiento de los datos: las personas como las organizaciones y/ o dispositivos necesitan datos que son necesarios procesar para obtener información. Para ello es imprescindible efectuar una clara identificación del Objetivo y su relación con la información necesaria para tomar decisiones. Ejemplo : “ir al cine a ver una determinada película “. El proceso agrega inteligencia al dato para obtener información. Información es el significado que les da a los símbolos quién los interpreta y se puede decir que es el elemento tangible o intangible que permite reducir la incertidumbre acerca de algún suceso, hecho o situación para tomar una decisión. Ejemplos: “va a llover”, “aumentarán los combustibles”.
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DATOS
PROCESO
Cartelera de Cines
Buscar película de interés
INFORMACION
Identificar Cine donde la pasan
TOMAR DECISIONES
Ver la película de interés
Las partes principales que intervienen en cualquier procesamiento son:
Dispositivo de Entrada (a)
Computadora (b)
Dispositivo de Salida (c)
(a) Permite ingresar datos e información (b) Efectúa el procesamiento de los datos según la instrucciones las que también se introducen por el dispositivo de entrada. (c) Permite presentar o sacar la información resultante como producto del procesamiento. Relacionados con el Procesamiento indicado se encuentran dos elementos básicos y usados con familiaridad en Informática: Hardware y Software. HARDWARE (HW): es la parte física ó materialmente existente, incluye circuitería, teclado, pantalla y demás elementos tangibles. SOFTWARE (SOFT): es la parte blanda ó materialmente inexistente, es intangible y son los programas , la lógica. Modificando el esquema anterior la Estructura clásica de una computadora está formada, básicamente , por tres unidades CPU ( Unidad Central de Proceso ) , Memoria y Dispositivos de Entrada /Salida ( Input/Output) interconectadas mediante líneas o buses de la manera siguiente :
MEMORIA C P
Bus: líneas o Caminos de Datos e Información
U Bus: Líneas o Caminos de Control I/O 9/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 Las funciones de cada uno de estos Bloques se indican en párrafos siguientes, previo a lo cual presentaremos una Estructura de Computadora más completa como la que a continuación se muestra:
MEMORIA Datos Dispositivo de Entrada
RAM - ROM, Hard Disk , etc.
Programas Información
Datos
Instrucciones
ALU + Registros
MEMORIA AUXILIAR
Dispositivo de Salida
CONTROL
L
CPU
Figura 4 ) La descripción de las partes fundamentales de una Computadora teniendo en cuenta la estructura de la Fig. 4 ) se indica en los párrafos siguientes. MEMORIA Contiene datos y programas que son necesarios para realizar operaciones más complicadas que una simple suma, puesto que es un dispositivo cuya función es la de guardar o almacenar números, instrucciones y resultados durante un proceso de cálculo. Dato: Unidad mínima de información ó cualquier información utilizada o que interviene en la realización de una decisión o proceso de cálculo. Programas: es una secuencia de instrucciones ejecutables por la CPU ó secuencia lógica de instrucciones. Un Programa es una secuencia de instrucciones que le dicen a la Computadora como realizar una tarea determinada. Como ejemplo consideremos un simple proceso de sumar dos valores y guardar el resultado en una posición de memoria: Datos de Memoria:
- Posición A - Posición B
Valor X Valor Y
Programa:
- Tomar X de la Posición A de memoria. - Sumar Y de la Posición B de memoria. 10/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 - Almacenar el Resultado en la Posición C de memoria. Hay distintos tipos de componentes electrónicos como las llamadas memorias con características propias de funcionamiento que son utilizadas dentro de una Computadora. Ellas son: RAM - RAMDOM ACCESS MEMORY: Memoria de Lectura y Escritura. Es una memoria de acceso directo por el P , es volátil y se conoce como memoria de trabajo. Almacena provisoriamente los programas en ejecución , datos procesados y resultados obtenidos. Como ejemplo se puede mancionar que una RAM de 1Kbyte es equivalente a : 1 kbyte = 210 =1024 Bits
en cada celda de memoria podemos guardar 8 Bits de información y en total hay 1024 celdas.
Pueden ser del tipo SRAM o DRAM. Las memorias DRAM con dinámicas y necesitan refrescarse periódicamente mientras que las SRAM son estáticas y la información almacenada se mantiene hasta que se desconecte la alimentación eléctrica a la computadora. Las SRAM con tiempos de acceso típicos de, por ejemplo , 20 ns ( 20 nanosegundos ) son más rápidas que las DRAM con valores típicos de 70 ns (70 nanosegundos). Estos valores son de referencia puesto que están superados en la actualidad. ROM - READ ONLY MEMORY : Memoria de lectura solamente. Es la responsable de la puesta en funcionamiento del computador y del arranque del mismo. Viene grabada por el fabricante con los programas de Inicialización y se denomina BIOS CMOS Setup Programs. PROM - Programmable Read Only Memory : Memoria de lectura solamente , su función es similar a la ROM, pero se diferencia en que puede ser grabada y reprogramada por el usuario por única vez. EPROM - Erasable and Programmable Read Only Memory Idéntica a la ROM pero se la puede borrar con rayos ultravioletas y volver a programar varias veces. Una vez grabada y durante el funcionamiento normal del Computador su uso sigue siendo de Lectura solamente como una ROM convencional. EEPROM - Electrical Erasable Programmable read Only Memory : Es una memoria de lectura solamente, programable y borrable electricamente desde el correspondiente grabador y por intermedio de una PC. Existen dos grandes clasificaciones de Memorias de acuerdo al Tipo de Almacenamiento , se diferencian en la función que cumplen dentro de la computadora y se denominan Memoria Primaria o Rápida y Memoria Auxiliar ó Secundaria : - Memoria Primaria /Rápida: es la que viene con el computador .Puede ser cualquiera de las indicadas anteriormente a las que se agrega el Disco Duro o Hard Disk si es la memoria principal. Su tiempo de acceso es breve , para una DRAM ( RAM dinámica ) es de 80 200 nsg. El tiempo de acceso es el tiempo que se tarda en extraer o colocar información en la Memoria 11/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 y es independiente del lugar en que la información está alojada dentro de la Memoria. - Memoria Auxiliar/Secundaria: se utiliza de respaldo de los datos y programas guardados en la memoria principal. Pueden ser: los antiguos Disquetes - Discos Flexibles, (Floppy Disk 5 ¼ 1,2 MB); Microdiscos (3,5 - 1,4, MB), Cintas magnéticas, impresiones en papel continuo, ZIP , CD ( disco compacto), DVD (Digital Versatile Disc) o Disco Versátil e incluso otro Disco Duro. Los Floppy Disk no se utilizan por obsolescencia. Memoria FLASH USB (Universal Serial Bus): también llamados ((llaveros USB)), fue creado por la empresa Pen Drive. Es un dispositivo pequeño, cómodo, resistente, tiene una gran capacidad de almacenamiento y muy sencillo de utilizar. Actualmente hay de 2,4,6,8, 16 y 32 GBytes o más. Su capacidad de almacenamiento es cada vez mayor y su precio es menor. Por su características de funcionamiento la Memoria Secundaria puede se de tipo “ on line “ si está disponible en todo momento como otro disco duro y “ off line “ si es un dispositivo removible como es el caso de ZIP , CD , DVD, etc. Como una computadora maneja una gran cantidad de información ya sea por datos o programas involucrados en los diferentes problemas a resolver, se requiere de una ayuda o respaldo del contenido de la Memoria Principal ante cualquier accidente que pueda ocurrir durante el procesamiento ó como una medida simple de descargar la Memoria Principal de datos y programas con uso no muy frecuente. La colocación o extracción de información de la Memoria Auxiliar es más lenta en comparación con la Memoria Principal salvo cuando el respaldo es otro Disco Duro o un CD. CPU - UNIDAD CENTRAL DE PROCESO Es la unidad encargada de ordenar y controlar el funcionamiento de los restantes bloques del computador. Dirige la ejecución de los programas, ejecuta las instrucciones de los programas almacenados en la memoria, controla la transferencia de datos entre la CPU, Memoria y dispositivos de Entrada / Salida, responde a las solicitaciones de servicio de los periféricos. Sin olvidar las funciones de control, la secuencia de acciones principales que sigue la CPU ante el requerimiento de un programa son: - LEE instrucciones. - DECODIFICA: trata de entender lo que dicen las instrucciones y luego las ejecuta. - EJECUTA: - LEER datos de Memoria. - LEER datos de I/O. - ESCRIBIR datos y programas en Memoria. - RELIZAR OPERACIONES aritméticas y lógicas. La ejecución de una Instrucción en particular implica un Proceso como el detallado a continuación: 1.- Leer de memoria la instrucción a ejecutar y guardar en un registro interno de la CPU. 12/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014 2.- Identificar la instrucción que se acaba de leer. 3.- Comprobar si la instrucción necesita utilizar nuevos datos ubicados en la memoria y en caso de ser Necesario, define de qué lugar lo busca. 4.- Buscar los datos en la memoria y traerlos a la CPU. 5.- Ejecutar la instrucción específicamente requerida y puede volver a comunicarse con la memoria ú otro Elemento externo a la propia CPU. 6.- Volver al punto 1) para ejecutar una nueva instrucción. La CPU se fabrica en un mismo circuito integrado, llamado Microprocesador, y tiene dos partes esenciales: CONTROL y ALU. CPU CONTROL
ALU +
Básicamente decodifica instrucciones
Ejecuta las instrucciones
Registros
Dentro de la CPU: El CONTROL: Decodifica las instrucciones, efectúa el control de la información y funcionamiento de la ALU. Da señales que controlan diversas operaciones: - Lectura /Escritura de Memoria. - Decodifica Instrucciones. - Transmisión de Datos a través de I/O. - Funcionamiento de ALU. La ALU: Ordena las operaciones a realizar por el computador, siendo el que ejecuta las instrucciones. Tiene, a su vez, dos partes principales: HW y REGISTROS. - HW(Hardware): permite realizar operaciones lógicas y Aritméticas ( +-, AND , OR , % , * ,SHIFT ,etc). - REGISTROS: Es una colección de Flip-Flop donde puede guardarse información ,operandos y resultados. Los principales registros son : -
MDR - Memory Data Register: Registro en el que se copian los datos leídos o a escribir en memoria.
-
MAR - Memory Address Register: Registro donde se copia la dirección a operar en memoria. 13/33
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-
PC - Programa Counter: El registro contador de programa contiene la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar por el microprocesador.
-
IR - Instruction Register: El registro de instrucción contiene el código de la instrucción a ser ejecutada. Luego de leer la instrucción de la memoria externa el microprocesador la guarda en este registro interno para su posterior decodificación.
-
Status Register: el registro de estado (SR) informa sobre el estado distinto de la última operación realizada por ALU como es el caso si el resultado de una operación es negativo , cero , si hay acarreo en la suma, ,desbordamiento u overflow, etc. A partir de esta información se pueden tomar decisiones como ejecutar saltos a otro lugar del programa.El registro SR está formado por un número de bits individuales con sus propios significados que se denominan banderas. Como ejemplos se pueden citar bandera de acarreo C, bandera de cero Z, bandera de signo negativo N y bandera de overflow V.
Una CPU se relaciona con la Memoria y demás bloques a través de los llamados Buses, que son un conjunto de conectores que transportan información (datos, controles y direcciones) y que están unidos por tres grupos de caminos identificados como Bus de Datos, Bus de Control y Bus de Direcciones:
C
P
U
Bus de Datos o Data Bus. Es Bidireccional, la información puede transmitirse en ambos sentidos o se que puede recibir y proporcionar, y puede ser de 8 Bits o más. Se utiliza para transmitir los datos a escribir en memoria o es donde la memoria pone los datos leídos por un programa. El tamaño de 8, 16, 32 bits indica la cantidad máxima de palabras que se puede transmitir en una sola operación. Bus de Control: tiene las líneas RD (Read - lectura) y WR (Write - escritura). Es unidireccional y tiene de 13 a 16 líneas dependiendo de las funciones de control que disponga. Se utiliza para sincronizar las operaciones de los diferentes elementos que componen una computadora. Bus de Direcciones o Address Bus. Es Unidireccional o sea que la información se transmite en un único sentido y puede ser de 8,16, 32 Bits o más. Para un microprocesador de 16 bits puede generar 216 = 65.536 ( 64 K) de direcciones diferentes
Una muestra según lo expresado anteriormente se presenta en el siguiente esquema:
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C
P
U Bus Direcciones Bus Control Periférico de Entrada
Periférico de Entrada
Bus Datos Unidad de Memoria
Es usual que la CPU , Memoria y circuitos integrados que manejan los dispositivos periféricos del sistema así como la comunicación entre las diferentes partes se encuentren alojados en una denominada “Placa Base “ que entre otros elementos tiene un microprocesador y varias unidades de memoria. Esta placa base también llamada Mother Board (placa madre) tiene además zócalos o conectores múltiples que permiten enchufar en ella módulos adicionales según el uso en particular de cada computadora. Con n bits se pueden obtener hasta 2n palabras diferentes de n bits cada una. Si se identifica cada una de estas palabras con una dirección específica de memoria, un registro de n bits puede señalar cualquiera de 2n posiciones o direcciones de memorias posibles. Este número representa la capacidad de manejo de memoria. Con 8 bits se puede direccionar 28 = 256, con 16 bits hasta 216 = 65.536 (64K) y con 32 bits hasta 232 = 4.294.967.296 ( 4G) posiciones de memoria, de este manera se aumenta la cantidad de direcciones de memoria. Con la dirección apropiada en el bus podemos leer de la memoria la instrucción que se va a ejecutar. La transferencia de los bits que forman la instrucción se realiza a través del bus de datos, que conecta la memoria con la unidad de control de la CPU. La Unidad de Control (UC) recoge esta información ( la instrucción) en un registro llamado registro de datos por estar conectado directamente al bus de datos. Una vez que la instrucción se encuentra en la CPU, parte de dicha instrucción, el código de instrucción es transferido a un registro de la UC llamado “registro de instrucciones”. Se puede continuar con el proceso pero lo que interesa para ente nivel de estudios es aclarar que tanto los datos como las instrucciones van por el Bus de Datos. Es usual que la CPU , Memoria y circuitos integrados que manejan los dispositivos periféricos del sistema así como la comunicación entre las diferentes partes se encuentren alojados en una denominada “Placa Base “ que entre otros elementos tiene un microprocesador y varias unidades de memoria. Esta placa base también llamada Mother Board ( placa madre) tiene además zócalos o conectores múltiples que permiten enchufar en ella módulos adicionales según el uso en particular de cada computadora. Proceso de Lectura y Escritura en Memoria La CPU realiza el proceso de lectura y escritura sobre la memoria según el detalle siguiente : 15/33
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C
M D R
P U
Bus de Datos
Bus de Direcciones M A R
Bus de Control
M E M O R I A
Fig.5) Proceso de escritura en la memoria: 1.- Copiar los datos a escribir en RAM en el MDR. 2.- Copiar la dirección de RAM donde se van a escribir los datos en el MAR 3.- Enviar una señal de RD / WR de escritura (WR) en RAM. 4.- Esperar el tiempo necesario para que los datos se copien en RAM. Proceso de lectura en la memoria: 1.- Copiar la dirección a leer de RAM en el MAR. 2.- Enviar una señal de RD / WR de lectura (RD) en RAM. 3.- Esperar el tiempo necesario para que la RAM escriba los datos en el MDR. MICROPROCESADOR Es un circuito integrado conocido como chip o microchip compuesto por miles o millones de componentes electrónicos como transistores, diodos y otros componentes que formando circuitos eléctricos se ubican en una pequeña pastilla de material semiconductor del orden de los milímetros cuadrados. El Semiconductor es un elemento que se caracteriza por comportarse como un conductor de la corriente eléctrica o como un aislante, no dejando circular corriente eléctrica, lo cual depende de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentra. El material semiconductor más usado es el silicio, al que le sigue el germanio. Al microprocesador se conoce como el cerebro de una computadora, y es el encargado de ejecutar los programas, previamente desarrollados, probados, mejorados y almacenados. Forma parte de la CPU o unidad central de procesamiento. También se puede decir que es un dispositivo digital encargado de llevar a cabo las operaciones indicadas por los programas, software, en los cuales se pueden distinguir Instrucción ó conjunto de símbolos que representa una orden de operación o tratamiento para el computador, y Programa ó conjunto ordenado de instrucciones que indican al computador una tarea completa o procesamiento de datos e información. 16/33
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL – FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN Ingeniería Electrónica – Informática I – 1R2 : Guía de Estudios - Año 2014
Los microprocesadores más conocidos actualmente son los fabricantes como AMD e Intel. No se puede dejar de mencionar aunque sea muy brevemente la nanoelectrónica. Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro. Un microprocesador de los que van dentro de un smartphone tiene ocho mil o nueve mil millones de transistores. Si hace 40 años se colocaban entre mil y diez mil transistores en un chip, hoy en día se puede hablar de miles de millones gracias a la nanotecnología. A continuación se hace una breve descripción de la nanoelectrónica en relación con electrónica. La electrónica se ha dedicado desde sus inicios a hacer los elementos o componentes de uso habitual en dicha especialidad, de tamaños reducidos y con un aumento considerable de las funciones de dichos elementos, a través de las diferentes escalas de integración, lo cual produce incremento de las potencialidades de aplicaciones con mayor calidad que antes. Para dar un ejemplo simple, actualmente hay Circuitos Integrados que tienen varios miles de componentes en una pequeña superficie, inferior a 1 Cm2. Para tener una referencia más precisa de las dimensiones se presenta la siguiente tabla.
Escala de integración SSI: pequeña escala de integración MSI: media escala de integración LSI: gran escala de integración VLSI: Muy integración
alta
escala
Tabla de dimensiones Nº componentes Cantidad
