Diseño de CPU

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:
  1. Fetch: retrieve instruction from memory
  2. Decode: determine operation and operands
  3. Operate: execute instruction
  4. 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:
  1. Instruction Fetch
  2. Instruction Decode
  3. Operand Fetch
  4. Execution
  5. Memory Access
  6. 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