Computadora Digital

1. Computadora Digital Arquitectura de John Von Neumann Arquitectura IAS (Institute for Advanced Studies – Princeton)

2. Algo de historia… Algo de historia… • Las primeras computadoras ejecutaban programas fijos, ya que el diseño de estas computadoras se establecía en base al programa o función que habrían de ejecutar. • Para poder cambiar el programa que una de estas computadoras ejecutaba, era necesario reestructurar el cableado o, incluso, rediseñar la máquina. Ejemplo: calculadora de bolsillo.

3. Computadora de ProgramaInterno o ProgramaAlmacenado Computadora de ProgramaInterno o ProgramaAlmacenado • El diseñar computadoras con arquitecturas capaces de almacenar programas, tanto instrucciones como datos, en una memoria, permitió que las computadoras realizaran diferentes funciones sin tener que modificar su diseño o configuración (Computadora de Propósito General). Bajo este esquema, la aplicación de la computadora depende del programa o programas que se cargan en memoria para ser procesados.

4. Computadora de ProgramaInterno o ProgramaAlmacenado • Un programa implementa un algoritmo (método de solución de un problema) mediante el uso de datos y la ejecución de instrucciones en una secuencia definida por el programa mismo. • Todas las instrucciones que una computadora (es decir, su procesador) puede reconocer y procesar se conoce como Conjunto de Instrucciones. • El término Arquitectura de Von Neumann surgió a partir de un artículo científico del matemático John Vonn Neumann fechado el 30 de junio de 1945. En este documento se daba a conocer la computadora de programa almacenado conocida como la EDVAC.

5. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) Arquitectura de John Von Neumann (IAS) Definición de unacomputadora de programainterno o almacenado Ulam, Feynamen y Von Neumann Basada en tresconceptos claves: • Los datos e instrucciones de un programa se almacenan en unaúnicamemoria de lectura y escritura (Memoria Principal). • El contenido de estamemoriaesdireccionadomediantelocalidades de memoria, sin importar el tipo del contenido. • La ejecución de instrucciones de un programa se lleva a cabo de un modosecuencial (a menos de que la secuencia sea modificadaexplícitamentepor el programa).

6. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Estructura Estructura Consiste en 4 componentesfundamentales: • Unidad de Ejecución • Unidad de Control • Memoria Principal • Unidad de Entrada/Salida (I/O)

7. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) Los 4 componentes de la arquitectura Von Neumann con suselementosprincipales:

8. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Estructura Estructuraexpandida de la arquitectura Von Neumann:

9. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Estructura Unidad de Ejecución • Responsable de procesar las instrucciones de un programa. • Consiste primordialmente en una Unidad Aritmética Lógica (ALU, del inglés Arithmetic-LogicUnit) y un número de registros. La ALU es la parte queprocesa las funciones aritméticas, lógicas y otro índole computacional que se requieren para ejecutar la instrucción dada. • Los registros son pequeños módulos de memoria sumamente rápida utilizados para almacenar temporalmente los operandos, datos, códigos o direcciones para la ejecución de las instrucciones.

10. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Estructura Unidad de Control • Extrae de la memoria la instrucción en turno (Fetch de Instrucción). • Determina de qué instrucción se trata (Decodificación de Instrucción). • Si se requiere, extrae de memoria los datos u operandosrequeridospor la instrucción (Fetch de Operandos). • Mediante el envío de señales de control, dirige sincronizadamente a todas las unidades o elementos de la computadora requeridas para ejecutar la instrucción y guardar (escribir) el resultado en memoria o un registro si la instrucción lo indica.

11. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Estructura Memoria Principal • Almacena los datos e instrucciones de un programa. • Los datos pueden ser leídos o escritos en las localidades de memoria con las direcciones correspondientes. • Cada localidad de memoria es identificada con una dirección física exclusiva. • A la Memoria Principalse le conoce también como Memoria de Acceso Aleatorio o Memoria RAM(siglas en inglés de Random Access Memory).

12. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Estructura Unidad o Módulo de Entrada/Salida (E/S) o Input/Output (I/O) • Establece y controla el medio de interfaz hombre-máquina. • Esta unidad controla la comunicación con los dispositivos de entrada y salida en una computadora. • El teclado y el ratón son ejemplos de dispositivos de entrada; el monitor es un ejemplo de dispositivo de salida.

13. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Estructura Bus (canal) • Enarquitectura de computadoras, el bus (o canal) es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de una computadora o entre computadoras. Está formado por cables o pistas en un circuito impreso, dispositivos como resistores y condensadores además de circuitos integrados. • Los principales buses en unacomputadora son el bus de datos, bus de instrucciones, bus de direcciones y bus de señales de control. • En la arquitectura Von Neumann, se define un solo bus para datos e instrucciones, el bus de datos e instrucciones. Tambiénexiste un bus de direcciones, peroésteesobviado.

14. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Funcionamiento Funcionamiento Con rarasexcepciones, todaslascomputadorasactualestienen la mismaestructura y funcionamiento general, por lo que se les llama máquinas Von Neumann. Por lo tanto, para explicar el funcionamiento de la computadora digital común, se utilizará la computadora IAS con la que se dio a conocer la arquitecturaVon Neumann: • La memoria de la IAS consiste en 1000 localidades de almacenamiento de 40 bits (digitosbinarios) cadauna. A laslocalidades de memoria o almacenamiento, también se les llama palabras. Tantodatoscomoinstrucciones se almacenan en estamemoria. Nota: Generalmente, lasactualescomputadoras (incluyendolas PCs) tienenmiles de millones de localidades de 8 bits (1 byte). Se dice que son direccionadasen bytes: unadirección de memoriaporcada byte.

15. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Funcionamiento • Los números o datos son representados en forma binaria. Cadanúmeroconsiste en un bit de signo y 39 bits de magnitud o valor. y cadainstrucción en códigobinario. • Las instrucciones son códigosbinarios de 20 bits: 8 bits de código de operación(opcode), el cualespecifica la operación a realizarse, y 12 bits para designar la dirección de unalocalidad de memoria (numeradas del 0 al 999).

16. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Funcionamiento • Memory Buffer Register (MBR): Contieneunapalabra a seralmacenada en memoria o enviada a la unidad E/S, o usado para recibirunapalabra de memoria o de la unidad E/S. • Memory Address Register (MAR): Especifica la dirección en memoria de la palabra o lacalidad en la que se va a escribir o de la que se va a leer el contenido del MBR. • Instruction Register (IR): Contiene el opcode de 8 bits de la instrucciónque se estáejecutando. • Program Counter (PC): Contiene la direccióndel próximo par de instrucciones a serextraida (fetch) de memoria. • Acumulador (AC) y CocienteMultiplicador (MQ): Empleado para conteneroperandostemporales y resultados de lasoperaciones del ALU. Porejemplo, el resultado de multiplicar dos números de 40 bits es un número de 80 bits; los bits mássignificativos se almacenan en el AC y los menossignificativos en el MQ. REGISTROS

17. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Funcionamiento • Cadaciclo de instrucciónconsiste en dos subciclos: • En el ciclo fetch, el opcode de la siguienteinstrucciónescargado en el registro IR y la porción de la direcciónescargada en el registro MAR. La instrucciónpuedesertomada del registro IBR, o pudeserobtenida de la memoriacargandounapalabra en el registro MBR, y entoncespuesto en el IBR, IR y MAR. • La inderacción se requiereporquelasoperaciones son controladasporcircuitoselectrónicos y resultan en el uso de rutas o vías de datos. Para simplificar la electrónica, solo se usa un registro para especificar la dirección de memoria para lectura o escritura, y un registro para la fuente (origen) o destino. • Unavezque el opcodeestá en el IR, se efectúa el ciclo de ejecución. Circuitería de control interpreta el opcode y ejecuta la instrucciónenviandolasseñales de control apropiadas para que los datosseanmovidos o queunaoperación sea realizada en el ALU. CICLO DE INSTRUCCION (CICLO DE EJECUCION DE INSTUCCION)

18. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) - Funcionamiento • La computadoraIAS tenía un total de 21 instrucciones, agrupadascomosigue: • Transferencia de Datos: Mover datos entre la memoria y los registros del ALU o entre dos registros del ALU. • Salto Condicional: El saltopuederealizarsedependiendo de unacondición, por lo tantopermitiendopuntos de decisión. • Aritmética:Operacionesefectuadaspor el ALU. • Modificación de Direcciones:Permitenquelasdireccionesseancalculadaspor el ALU y después son insertadas en lasinstruccionesalmacenadas en memoria. Estopermite a un programauna considerable flexibilidad de direccionamiento. CONJUNTO DE INSTRUCCIONES

19. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) – Problemática 1: Cuello de Botella Von Neumann Problemática 1: Cuello de Botella Von Neumann • Uno de los problemas más conocidos con la Arquitectura de Von Neumann es que la separación entre el CPU y la memoria limita la velocidad de transferencia de datos (throughput) entre estos dos componentes de la computadora. . A este problema se le conoce como Cuello de Botella de Von Neumann, término acuñado por John Backus en 1977. • Esto impone una seria limitación a la velocidad de computación, sobre todo cuando el procesador requiere efectuar un mínimo de procesamiento sobre un alto volumen de datos, ya que el CPU es forzado continuamente a esperar a que los datos vitales sean transferidos a o de la memoria. • Incluso en los sistemas más modernos, la velocidad de transferencia de datos entre el CPU y la Memoria es mucho más lenta que la capacidad de procesamiento del CPU. A medida que la velocidad de los procesadores y el tamaño de la memoria han crecido más rápido que la velocidad de transferencia de datos entre procesador y memoria, se hace más serio el problema del cuello de botella. • El problema de desempeño causado por el cuello de botella ha sido reducido introduciendo una memoria cachéentre el CPU y la memoria; también desarrollando algoritmos de predicción de salto que aceleren el acceso a las localidades de memoria, prediciendo las direcciones en las que se encuentran los datos o instrucciones que requerirá el programa.

20. Arquitectura de John Von Neumann (IAS) – Problemática 2: Falta de procesamientoparalelo de instrucciones Problemática 2: Falta de procesamientoparalelo de instrucciones • Algunos autores señalan también que una de las limitaciones de esta arquitectura es el hecho de que la computadora ejecuta solo una instrucción a la vez, una tras otra, impidiendo la implementación de la computación paralela o concurrente que podría generar resultados más rápidos en muchos casos.