Arquitectura de un Ordenador Digital

Arquitectura de un ordenador digital

• La arquitectura de un ordenador digital se basa en el modelo de Von Neumann (1945)

• Para ejecutar un programa, primero hay que buscarlo en la memoria principal

• Una vez localizado el programa, se carga en la CPU instrucción a instrucción

• En la CPU se realizan todas las operaciones del programa

• Los resultados se envían a la memoria principal para ser almacenados

Unidades funcionales del ordenador digital

• Un ordenador se compone de las siguientes unidades funcionales:
  • Unidades de entrada: reciben datos del exterior (teclado, ratón, micrófono…)
  • Unidades de salida: devuelven el resultado de una operación (pantalla, impresora…)
  • Unidades de entrada-salida: permiten recibir y devolver datos (tarjeta de red…)
  • Memoria principal: almacena datos y los programas que se ejecutan en el ordenador
  • Unidad aritmético-lógica (ALU): realiza operaciones aritmético-lógicas.
  • Unidad de control (UC): se encarga de orquestar el resto de componentes

Arquitectura de Von Neumann

• En la memoria principal se encuentran almacenadas las instrucciones y datos

Arquitectura Harvard

• El bus de direcciones se divide en bus de direcciones para las instrucciones y en bus de direcciones para los datos

El bus del sistema

• Un bus es una vía de comunicación que conecta dos o más dispositivos

• La principal característica de un bus es que es un medio de transmisión compartido

• Al bus se conectan multiples dispositivos, y una señal transmitida por cualquiera de ellos puede ser recibida por todas las otras unidades conectadas.

• Se denomina bus del sistema al conjunto de circuitos encargados de la conexión y comunicación entre la UCP y el resto de unidades de la computadora.

• Para ello utiliza un conjunto de varias lineas eléctricas que permiten la transmisión de los datos en paralelo.

Software

• El software de un sistema informático es el conjunto de elementos lógicos necesarios para que puedan realizar las tareas encomendadas al mismo.
• El software es la parte lógica que dota al equipo físico de capacidad para realizar cualquier tipo de trabajos.

Software básico (sistema operativo)

• Es el conjunto de programas que el equipo físico necesita para tener la capacidad de trabajar

• Estos programas en su conjunto configuran lo que se denomina el sistema operativo

• El sistema operativo es el soporte lógico que controla el funcionamiento del equipo físico, ocultando los detalles del hardware y haciendo más sencillo el uso del ordenador

La unidad de control (UC)

• Es la parte que interpreta las instrucciones del programa, generando información necesaria para controlar los dispositivos periféricos.

• Para realizar estas operaciones, la UC dispone de pequeños espacios de almacenamiento, denominados registros.

La unidad aritmética lógica (ALU)

• Realiza operaciones matemáticas que le indica la unidad de control, almacenando los resultados en los registros de almacenamiento

• Los elementos que componen la ALU son los que se indican a continuación:

  • Circuito operacional. Realiza las operaciones con los datos de los registros de entrada.
  • Registro de entrada. Contiene operandos de la operación.
  • Registro acumulador. Almacena los resultados de las operaciones.
  • Registro de estado. Registra las condiciones de la operación anterior.
  • Bus del sistema: es el bus que transporta los datos desde la memoria principal al procesador

El microprocesador

• Es el cerebro del ordenador

• Controla todas las operaciones que se realizan en el ordenador

• Se encarga de la ejecución de los programas y el procesamiento de los datos.

Kilohertzio (KHz)

• 1 KHz = 1000 Hz

Megahertzio (MHz)

• 1 MHz = 1000 KHz

Gigahertzio (GHz)

• 1 GHz = 1000 MHz

Terehertzio (THz)

• 1 THz = 1000 GHz

Petahertzio (PHz)

• 1 PHz = 1000 THz

Velocidad interna del microprocesador

• Es la velocidad de trabajo del microprocesador son sus elementos internos: 1.6 GHz…

Velocidad externa o de bus

• Velocidad del bus que comunica el microprocesador con el resto de elementos de la placa: 800 MHz…

Velocidad de ejecución de las instrucciones

• Depende del número de ciclos que necesiten las instrucciones para ejecutarse

• Las instrucciones pasan por varias fases durante su ejecución.

Juego de instrucciones

• Indica el número de instrucciones del procesador (depende de arquitecturas CISC o RISC)
• Los conjuntos de instrucciones se agrupan con acrónimos (MMX, SSE, SSE2…)

Ancho del bus de direcciones

• Permite acceder a memoria

• Cuanto mayor sea, más capacidad de memoria podemos direccionar (arquitectura de 32 o 64 bits)

Número de registros internos

• Cantidad de registros del procesador (son muy rápidos y están dentro de la CPU)

Voltaje

• A mayor voltaje, mayor velocidad y mayor temperatura

• Podemos encontrar procesadores con diferentes voltajes (1-lógico, 0-lógico)

Arquitectura

• Influye en el direccionamiento de memoria y la capacidad de los buses
• Arquitecturas de 32 o 64 bits (software x86 y x64)

Multinúcleo

• Subprocesos, capacidad de ejecutar más de un proceso a la vez (HyperThreading y SMT)

Memoria caché

• Almacena datos que son utilizados con mucha frecuencia

• El microprocesador consulta su contenido antes de acceder a la RAM

• Su tecnología es más rápida (y más cara) que la RAM

• Posee diferentes niveles (L1, L2 y L3)

Coprocesador matemático (FPU)

• Realiza cálculos matemáticos de alta precisión

• Anteriormente estaba ubicado fuera del procesador

• En la actualidad se utilizan las tarjetas gráficas, debido a su alta capacidad de computación

Unidad de gestión de memoria (MMU)

• Traduce las direcciones virtuales a direcciones físicas

• Las direcciones virtuales son utilizadas por el gestor de memoria del Sistema Operativo

• El MMU se encarga de establecer la equivalencia real con la memoria RAM

Unidad MultiMedia eXtensions (MMX)

• Incorporada por Intel en 1997 desde el Pentium MMX

• Se incorporan instrucciones para el manejo de multimedia

Unidad Streaming SIMD Extensions (SSE)

• Incorporada por Intel en 1999 como una extensión de las MMX

• Incorporan el CODEC para decodificar video MPEG2

Encapsulado del microprocesador

• DIP: Dual In-Line Package
• PLCC: Plastic Lead Chip Carrier
• SEC: Single Edge Connect
• BGA: Ball Grid Array
• PGA: Package Grid Array

El zócalo

• Es el elemento de la placa base donde se conecta el microprocesador

• Interconecta el microprocesador con el resto de componentes del PC

• ZIF: Zero Insertion Force

• Slot A

• LGA: Land Grid Array

• AM3, AM3+, AM4, FM2…

Refrigeración

• Es importante seleccionar un sistema de refrigeración adecuado

• TDP (Thermal Design Power) : es la máxima cantidad de calor que soporta la CPU

• Disipador: elemento pasivo que disipa el calor (se coloca sobre el procesador, fijado con pasta térmica)

• Ventilador: se coloca sobre el disipador (normalmente en la caja hay ventiladores adicionales)

• Heat-pipe (tubería de calor): tubo hueco con un fluido que se enfría y se condensa

• Refrigeración Peltier: célula Peltier (elevado consumo eléctrico)

• Sistemas de refrigeración líquida (¡cuidado con el mantenimiento!)

Overclocking

• Pretende que los componentes del ordenador alcancen un rendimiento mayor

• Se puede aplicar a microprocesadores y también al resto de componentes

• Se puede lograr con software específicos del fabricante, cambiando el firmware de la BIOS…

• El uso de estas técnicas si debe hacer con cautela y de forma precisa

• Se recomiendan sistemas de refrigeración líquida para disipar mejor el calor

Nomenclatura Intel

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Especificaciones Intel

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Nomenclatura AMD

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Especificaciones AMD

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