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Questions and Answers
¿Cuál es el propósito principal de la Unidad de Control en un diseño de CPU?
¿Cuál es el propósito principal de la Unidad de Control en un diseño de CPU?
¿Qué tipo de paralelismo se refiere a la ejecución de múltiples tareas concurrentemente?
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¿Qué es el ancho de bus en una estructura de bus?
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¿Cuál es el propósito principal de la caché en la jerarquía de memoria?
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¿Qué tipo de bus transmite múltiples bits al mismo tiempo?
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¿Qué es la relación entre la velocidad del reloj y las instrucciones por ciclo en la métrica de rendimiento del CPU?
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¿Qué es el propósito principal del chipset en una tarjeta madre?
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¿Qué es el procesamiento de pipelining en un diseño de CPU?
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¿Cuál es la principal característica de la Instruction Set Architecture (ISA)?
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¿Cuál es la principal diferencia entre la arquitectura Neumann y Harvard?
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¿Cuál es el propósito principal de un registro en una organización de archivo de registros?
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¿Cuál es la característica principal de un disco duro?
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¿Cuál es el propósito principal de una partición en un disco duro?
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¿Cuál es la función principal de una tarjeta gráfica?
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¿Cuál es la característica principal de la estructura de bus en la arquitectura Harvard?
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¿Cuál es la función principal del registro de archivos en una organización de archivo de registros?
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Study Notes
CPU Design
-
Components:
- Arithmetic Logic Unit (ALU): performs arithmetic and logical operations
- Registers: small amount of on-chip memory for storing data temporarily
- Control Unit: retrieves and decodes instructions, generates control signals
-
Instruction Cycle:
- Fetch: retrieve instruction from memory
- Decode: determine operation and operands
- Operate: execute instruction
- Store: store results
-
CPU Performance Metrics:
- Clock Speed (GHz): rate at which CPU executes instructions
- Instructions Per Clock (IPC): number of instructions executed per clock cycle
- Cache Hit Ratio: percentage of cache accesses that result in a hit
Input/Output Systems
-
I/O Devices:
- Keyboard, mouse, monitor, printer, scanner, etc.
-
I/O Interface:
- Communicates between CPU and I/O devices
- Examples: USB, SATA, PCI Express
-
I/O Operations:
- Synchronous: CPU waits for I/O operation to complete
- Asynchronous: CPU continues executing instructions while I/O operation is in progress
Bus Structures
-
Types of Buses:
- Address Bus: carries memory addresses
- Data Bus: carries data between components
- Control Bus: carries control signals (read, write, interrupt)
- Bus Width: number of bits that can be transmitted at once
-
Bus Protocols:
- Parallel Bus: multiple bits transmitted simultaneously
- Serial Bus: single bit transmitted at a time
Parallel Processing
-
Types of Parallelism:
- Data Parallelism: same operation on multiple data elements
- Task Parallelism: multiple tasks executed concurrently
-
Parallel Processing Architectures:
- Symmetric Multiprocessing (SMP): multiple CPUs share common memory
- Distributed Memory Architecture: each CPU has its own memory
Memoria (Memory)
-
Types of Memory:
- Main Memory (RAM): volatile, temporary storage
- Secondary Storage (HDD, SSD): non-volatile, long-term storage
-
Memory Hierarchy:
- Cache: small, fast memory for frequently accessed data
- Main Memory: larger, slower memory for less frequently accessed data
- Secondary Storage: largest, slowest memory for infrequently accessed data
Tarjeta Madre (Motherboard)
-
Components:
- CPU Socket: connects CPU to motherboard
- Chipset: manages data transfer between components
- RAM Slots: holds main memory
- Expansion Slots: allows for addition of peripherals (e.g., graphics card)
-
Form Factors:
- ATX: most common form factor
- Micro-ATX: smaller version of ATX
- Mini-ITX: smallest form factor
Canaliación Procesadores (Processor Pipelining)
-
Pipeline Stages:
- Instruction Fetch
- Instruction Decode
- Operand Fetch
- Execution
- Memory Access
- Write Back
-
Pipeline Hazards:
- Structural Hazards: conflicts between pipeline stages
- Data Hazards: dependencies between instructions
- Control Hazards: branch instructions affect pipeline flow
Disco Duro (Hard Disk Drive)
-
Components:
- Platters: spinning disks that store data
- Read/Write Heads: float above platters, reading and writing data
- Actuator Arm: moves read/write heads to access data
-
Access Time:
- Seek Time: time to move read/write head to desired track
- Rotational Latency: time for platter to rotate to desired sector
- Transfer Time: time to transfer data to/from disk
Diseño de CPU
-
Componentes:
- Unidad Aritmética Lógica (ALU): realiza operaciones aritméticas y lógicas
- Registros: pequeña cantidad de memoria en el chip para almacenar datos temporalmente
- Unidad de Control: recupera y decodifica instrucciones, genera señales de control
-
Ciclo de Instrucción:
- Fetch: recupera instrucción de la memoria
- Decode: determina operación y operandos
- Operate: ejecuta instrucción
- Store: almacena resultados
Sistemas de Entrada/Salida
-
Dispositivos de E/S:
- Teclado, mouse, monitor, impresora, escáner, etc.
-
Interfaz de E/S:
- Comunica entre CPU y dispositivos de E/S
- Ejemplos: USB, SATA, PCI Express
-
Operaciones de E/S:
- Sincrónica: CPU espera a que se complete la operación de E/S
- Asincrónica: CPU continúa ejecutando instrucciones mientras se realiza la operación de E/S
Estructuras de Bus
-
Tipos de Bus:
- Bus de Dirección: lleva direcciones de memoria
- Bus de Datos: lleva datos entre componentes
- Bus de Control: lleva señales de control (leer, escribir, interrupción)
- Anchura del Bus: número de bits que se pueden transmitir al mismo tiempo
-
Protocolos de Bus:
- Bus Paralelo: múltiples bits se transmiten simultáneamente
- Bus Serie: un solo bit se transmite al mismo tiempo
Procesamiento Paralelo
-
Tipos de Paralelismo:
- Paralelismo de Datos: misma operación en múltiples elementos de datos
- Paralelismo de Tareas: múltiples tareas se ejecutan concurrentemente
-
Arquitecturas de Procesamiento Paralelo:
- Procesamiento Simétrico Multiprocesador (SMP): múltiples CPUs comparten memoria común
- Arquitectura de Memoria Distribuida: cada CPU tiene su propia memoria
Memoria
-
Tipos de Memoria:
- Memoria Principal (RAM): volátil, almacenamiento temporal
- Almacenamiento Secundario (HDD, SSD): no volátil, almacenamiento a largo plazo
-
Jerarquía de Memoria:
- Cache: pequeña memoria rápida para datos frecuentemente accedidos
- Memoria Principal: memoria más grande y más lenta para datos menos frecuentemente accedidos
- Almacenamiento Secundario: memoria más grande y más lenta para datos infrecuentemente accedidos
Tarjeta Madre
-
Componentes:
- Socket de CPU: conecta CPU a la tarjeta madre
- Chipset: gestiona el tráfico de datos entre componentes
- Ranuras de RAM: almacena memoria principal
- Ranuras de Expansión: permite la adición de periféricos (por ejemplo, tarjeta gráfica)
-
Factores de Forma:
- ATX: factores de forma más común
- Micro-ATX: versión más pequeña de ATX
- Mini-ITX: factor de forma más pequeño
Canalización de Procesadores
- Etapas del Pipeline: 1.Búsqueda de Instrucción 2.Descodificación de Instrucción 3.Busca de Operando 4.Ejecución 5.Acceso a Memoria 6.Escritura
-
Peligros del Pipeline:
- Peligros Estructurales: conflictos entre etapas del pipeline
- Peligros de Datos: dependencias entre instrucciones
- Peligros de Control: instrucciones de bifurcación afectan el flujo del pipeline
Disco Duro
-
Componentes:
- Platos: discos que giran que almacenan datos
- Cabezas de Lectura/Escritura: flotan sobre los platos, leyendo y escribiendo datos
- Brazo de Actuación: mueve las cabezas de lectura/escritura para acceder a los datos
-
Tiempo de Acceso:
- Tiempo de Búsqueda: tiempo para mover la cabeza de lectura/escritura al seguimiento deseado
- Latencia Rotacional: tiempo para que el plato gire al sector deseado
- Tiempo de Transferencia: tiempo para transferir datos desde/desde el disco
Arquitectura Neumann y Harvard
Instruction Set Architecture (ISA)
- La ISA es el conjunto de instrucciones que un procesador de computadora puede ejecutar
- Características de la ISA:
- Formato de instrucción (opcode, operandos)
- Tipos de instrucción (aritmética, carga/almacenamiento, flujo de control)
- Modos de direccionamiento (registro, inmediato, memoria)
Estructura de Bus
- La estructura de bus es una vía de comunicación que permite a diferentes componentes intercambiar datos
- Características de la estructura de bus:
- Bus de direcciones (transfiere direcciones de memoria)
- Bus de datos (transfiere datos)
- Bus de control (transfiere señales de control)
- En la arquitectura Neumann:
- Un solo bus para instrucciones y datos
- En la arquitectura Harvard:
- Buses separados para instrucciones y datos
Organización del Registro de Archivos
- La organización del registro de archivos es una pequeña cantidad de memoria en chip que almacena datos temporalmente
- Características de la organización del registro de archivos:
- Número de registros
- Tamaño del registro (número de bits)
- Acceso al registro (lectura y escritura)
- En la arquitectura Neumann:
- Los registros se utilizan para almacenar tanto datos como instrucciones
- En la arquitectura Harvard:
- Registros separados para datos y instrucciones
Disco Duro
- El disco duro es un dispositivo de almacenamiento no volátil que almacena datos magnéticamente
- Características del disco duro:
- Capacidad (tamaño de almacenamiento)
- Tiempo de acceso (tiempo para acceder a datos)
- Velocidad de transferencia de datos (velocidad de transferencia de datos)
- Funcionalidad:
- Almacena el sistema operativo, programas y datos
- Proporciona almacenamiento a largo plazo para sistemas informáticos
Partición
- La partición es una división lógica del disco duro en regiones separadas
- Características de la partición:
- Tamaño de la partición (tamaño de cada partición)
- Sistema de archivos (organiza archivos en la partición)
- Tipo de partición (primaria, extendida, lógica)
- Funcionalidad:
- Permite que varios sistemas operativos o aplicaciones coexistan en un solo disco
- Mejora la organización y gestión de datos
Tarjeta de Gráficos
- La tarjeta de gráficos es un componente de hardware que controla la salida de pantalla de una computadora
- Características de la tarjeta de gráficos:
- Unidad de procesamiento de gráficos (GPU)
- Memoria de video (memoria dedicada para gráficos)
- Interfaz (conexión con la motherboard)
- Funcionalidad:
- Representa gráficos y video en la pantalla
- Acelera el procesamiento de gráficos para mejorar el rendimiento
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Description
Aprende sobre los componentes y el ciclo de instrucción de un CPU, incluyendo la Unidad Aritmética Lógica, registros y unidad de control, y métricas de rendimiento como la velocidad de reloj.
