Introduccin

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Introducción

• Pedro Rodríguez Moreno
• Arquitectura de Computadores y Sistemas (IECI)
• Departamento de Sistemas de Información
• Facultad de Ciencias Empresariales

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Lecturas Recomendadas para este capítulo

• C. Hamacher, Z. Vranesic, S. Zaky. Organización
  de Computadores. 5ª. Edición, McGraw-Hill, 2003
• Andrew Tanenbaum. Organización de Computadores.
  4a Edición, Prentice-Hall, 1999.
• Leer capítulo 1 (para ser controlado en test 1).
• Silberchatz, Peterson, Galvin. Sistemas
  Operativos conceptos fundamentales. 3a Edición,
  Addison Wesley, 1994.

3
Antecedentes

• Todos los computadores digitales básicamente son
  máquinas electrónicas que pueden almacenar y
  procesar datos e incluso transmitirlos a otro
  computador aunque su ubicación sea remota.
• Un computador se puede definir como un conjunto
  de dispositivos electrónicos, que interactuan
  entre ellos para procesar datos y entregar
  resultados a través de la ejecución de programas.
• En los principios de la computación moderna,
  (década del 40) los primeros computadores eran
  enormes máquinas que solamente podían procesar
  información numérica, eran además, limitados en
  su almacenamiento y poder de procesamiento.
• Los computadores de hoy día son de propósito
  general y pueden procesar distintos tipos de
  datos, tales como numéricos, alfanuméricos,
  gráficos, etc.
• Un computador está compuesto de dos elementos
  básicos que son consustanciales y que dan vida
  a la máquina
• El Hardware conformado por todos los elementos
  físicos tangibles (CPU, memoria, disco, buses).
• El Software lo constituyen los programas básicos
  del sistema (como el Sistema Operativo), los
  programas de aplicación (procesadores de texto,
  etc.), software administrativos, etc.

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Estructura General de un Computador
5
Organización Básica de un Computador
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Dispositivos de Almacenamiento

• Memoria principal o almacenamiento principal
  compuesto por dos tipos de memorias
• La memoria ROM (Read Only Memory). Se escriben
  los programas básicos del sistema, tales como las
  rutinas de inicialización del sistema.
• La memoria RWM (Read Write Memory) que es la
  memoria de lectura y escritura, pero que tiene
  como característica principal, su alta
  volatilidad. En esta memoria reside el Sistema
  Operativo y los programas de los usuarios.
• Ambas memorias son de tipo RAM (Random Access
  Memory), es decir de acceso alelatorio o directo.
• Memoria secundaria o almacenamiento secundario.
  Este tipo de almacenamiento tiene como
  característica principal, ser de capacidad masiva
  y permanente, es decir, la información no se
  pierde. Los medios de almacenamiento típicos son
• Discos magnéticos
• Discos ópticos.
• Cintas magnéticas.
• Pendrives.
• USB digital drive, etc.

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Representación interna de Datos

• Hoy en día, los datos son representados y
  manipulados utilizando el sistema binario.
• El sistema binario se compone de dos dígitos
  0,1 los que se pueden combinar en grandes
  conjuntos de 0's y 1's para formar las
  representaciones de números decimales y
  caracteres.
• La unidad mínima de almacenamiento interno se
  denomina bit.
• Un bit puede tomar sólo uno de los dos valores
  binarios 0 ó 1.
• Existen otras unidades de almacenamiento tales
  como el byte y la palabra
• El byte conjunto de 8 bits, podemos almacenar
  tanto caracteres como números.
• La palabra conjunto de uno o más bytes
  (generalmente su tamaño es potencia de 2, por
  ejemplo 1, 2, 4, 8, 16, ...), donde se pueden
  almacenar datos mas complejos.

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Unidades Lógicas de Almacenamiento

• El byte

Código ASCII del caracter a.

• La palabra (ejemplo, una palabra de 2 bytes).

• La Memoria Principal podemos verla como un gran
  arreglo o conjunto de bytes o palabras.

• En la Memoria Principal los datos se pueden
  organizar aun en bloques de mayor tamaño, tales
  como los segmentos y las páginas.

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Sistema de Codificación de Caracteres y Datos
Numéricos

• Cada caracter posee un código binario único, que
  está definido por el sistema de codificación de
  caracteres ASCII (American Standard Code for
  Information Interchange).
• La tabla de caracteres ASCII y sus
  correspondientes códigos (ya sea en los sistemas
  decimal, hexadecimal, octal, y binario) la pueden
  ver en
• http//pebu.face.ubiobio.cl/prodrigu/scici/
  introd/ASCII.html
• Todos los caracteres se almacenan internamente
  utilizando un byte de memoria.
• Representación de Datos Numéricos. Para la
  representación de datos numéricos utilizando un
  byte de memoria, podemos ver que estos pueden
  tener o no un signo. Si el número es signado,
  entonces éste puede ser positivo (0) o negativo
  (1), por tanto, en un byte debemos reservar un
  bit para el signo.

Un byte de información numérica.
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La Unidad Central de Proceso (UCP o CPU)

• Conocido también como el Procesador, este
  componente prácticamente constituyente el cerebro
  del computador, ya que la mayor parte de su
  ''inteligencia'' reside aquí. La CPU es
  responsable de la ejecución de las instrucciones
  de los programas.
• Componentes de la CPU. La CPU está conformada por
  sub-unidades, cada una de las cuales desempeña
  funciones particulares
• La ALU o UAL (Unidad Aritmética y Lógica) que
  ejecuta las operaciones aritméticas y lógicas
  básicas.
• La Unidad de Control responsable de emitir y
  recibir las señales de control (impulsos
  eléctricos) para la ejecución de las
  instrucciones y otras operaciones básicas como el
  control de otros dispositivos del computador.
• Registros son pequeñas unidades de
  almacenamiento (generalmente de 2 o más bytes)
  que son utilizados por el procesador para
  almacenar datos e instrucciones. Dependiendo del
  procesador, la cantidad de registros físicos
  puede variar desde 16 a 32.

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Arquitectura tipo von Neumann
12
Hardware y el Sistema Operativo

• El Sistema Operativo (como Windows y Linux),
  tiene el control sobre toda la máquina.
• El hardware (CPU, Memoria, Discos, etc.) permiten
  el almacenamiento y procesamiento de los datos a
  través de la ejecución de programas.
• El Sistema Operativo y los demás programas son
  cargados (almacenados) en memoria para su
  ejecución.
• El procesador ejecuta las instrucciones de
  máquina del Sistema Operativo y de los programas.

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Relación entre el Hardware y el Sistema Operativo
Programas de Aplicación
Procesos
Procesador (CPU)
Utilitarios
Dispositivos periféricos
disco
monitor
impresora
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El Sistema Operativo

• El Sistema Operativo forma parte del software del
  sistema y es el programa más importante debido a
  que éste es quien administra la máquina y todos
  sus recursos (CPU, Memoria, Dispositivos
  Periféricos y otros programas).
• El sistema operativo está compuesto por un
  conjunto de elementos tales como
• El kernel o núcleo, que contiene todos los
  programas que administran el hardware.
• Los Utilitarios, tales como los comandos del
  sistema, que ofrecene varios servicios tales como
  fecha, hora, estadísticas, etc.
• El shell (intérprete de comandos), el cual recibe
  órdenes desde el teclado y los dirige hacia el
  kernel del sistema operativo, para ejecutar
  programas.

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Máquinas Multinivel Contemporáneas
Lenguaje Orientado al Problema
Lenguajes de alto nivel, los cuales son
utilizados para escribir los programas de
aplicación.
Nivel 5
Traducción (Compilador)
Es un lenguaje de programación que es una
representación simbólica del lenguaje de máquina
de la computadora
Lenguaje Ensamblador
Nivel 4
Traducción (Ensamblador)
Nivel de programación híbrido donde coexisten
instrucciones del nivel 2 y de este nivel
Sistema Operativo
Nivel 3
Interpretación Parcial
Nivel lógico de programación donde se encuentra
definido el lenguaje de máquina
Máquina Convencional
Nivel 2
Interpretación (Microprogramación)
Microprogramación
Nivel de programación orientado A la máquina
Nivel 1
Hardware interpreta y ejecuta microprogramas
Hardware
Lógica Digital
Nivel 0
Leer capítulo 1 de Tanenbaum
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Traductores Compiladores

• Son programas que permiten traducir un programa
  desde un lenguaje de alto nivel a otro de mas
  bajo nivel. Por ejemplo, el compilador del
  lenguaje C.

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Traductores Intérpretes

• Un intéprete es un programa que acepta otro
  programa (el programa fuente) escrito en un
  determinado lenguaje (el lenguaje fuente) y lo
  ejecuta.
• El intérprete carga, analiza y ejecuta una a una
  las instrucciones del programa fuente.
• La interpretación se caracteriza por ser más
  lenta que la compilación.

• Ejemplo de lenguaje interpretado Java.

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Tipos de Procesadores

• En los últimos años se han distinguido dos
  grandes tendencias en la construcción de
  procesadores. Se diferencian esencialmente en las
  características de su repertorio de
  instrucciones.
• Procesadores CISC (Complex Instruction Set
  Computer).
• Procesadores RISC (Reduced Instruction Set
  Computer).
• Ambos tipos de microProcesadores han incluido un
  conjunto de unidades funcionales adicionales que
  los potencia
• Unidad para el procesamiento aritmético en Punto
  Flotante (FPU Floating Point Unit).
• Unidad de Administración de Memoria (MMU Memory
  Management Unit).
• Unidad de Carga y Almacenamiento (Load/Store).
• Funciones de control de memoria caché.
• Implementación de un conjunto de registros
  múltiples.

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Los Procesadores CISC

• Tienen un conjunto de instrucciones alto (entre
  200 y 300) estas instrucciones son más complejas
  que las de RISC, con lo que la circuitería
  necesaria para decodificación y secuenciación
  también aumenta, y la velocidad del proceso
  disminuye.
• Formato de instrucciones bastante variable (no
  hay tamaño fijo de instrucciones).
• El diseño hace que el procesador tenga que
  realizar constantes accesos a memoria.
• La microprogramación es una característica
  importante y esencial de casi todas las
  arquitecturas CISC. Como por ejemplo
• Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486, Pentium.
• Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 68040.

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La microprogramación

• La microprogramación significa que cada
  instrucción de máquina es interpretada por un
  microprograma localizado en una memoria en el
  circuito integrado del procesador.
• En la década de los sesenta, la micropramación,
  por sus características, era la técnica más
  apropiada para las tecnologías de memorias
  existentes en esa época y permitía desarrollar
  también procesadores compatibles.
• Permite la emulación de arquitecturas.
• Los procesadores se dotaron de poderosos
  conjuntos de instrucciones.
• Las instrucciones compuestas son decodificadas
  internamente y ejecutadas con una serie de
  microinstrucciones almacenadas en una ROM
  interna. Para esto se requieren de varios ciclos
  de reloj (al menos uno por microinstrucción).

21
Los Procesadores RISC

• Su juego de instrucciones es más reducido (menos
  de 128), y las instrucciones son más sencillas
  (con lo que se necesitarán más instrucciones para
  ejecutar un programa).
• El formato de instrucciones es fijo (o son pocos
  formatos) con lo que el control de hardware es
  más sencillo y se facilita la puesta de las
  instrucciones en la memoria, lo que implica que
  los accesos a la memoria se aceleren.
• Por otra parte, estos accesos a memoria son menos
  frecuentes ya que el procesador posee un mayor
  número de registros.
• Estos procesadores son los que están presentes en
  las estaciones de trabajo. Como ejemplos podemos
  citar a los procesadores
• ALPHA de Digital Equipment, y
• UltraSPARC y MicroSPARC de Sun Microsystems.
• Debido a que se tiene un conjunto de
  instrucciones simplificado, éstas se pueden
  implantar por hardware directamente en la CPU, lo
  cual elimina el microcódigo (microprogramación) y
  la necesidad de decodificar instrucciones
  complejas.

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Características comunes de los Procesadores RISC

• Modelo de conjunto de instrucciones Load/Store
  (Cargar/Almacenar).
• Sólo las instrucciones Load/Store acceden a
  memoria las demás operaciones en un RISC, tienen
  lugar sobre datos residentes en su gran conjunto
  de registros.
• Arquitectura de tres direcciones no destructiva.
• Los procesadores CISC destruyen la información
  que existe en alguno de los registros, como
  consecuencia de la ejecución normal de
  instrucciones esto es debido a su arquitectura
  de dos direcciones, por la cual el resultado de
  una operación sobrescribe uno de los registros
  que contenía a los operandos.
• Por el contrario, las instrucciones RISC, con
  tres direcciones, contienen los campos de los dos
  operandos y de su resultado.
• Tanto los operandos origen como el destino, son
  mantenidos en los registros tras haber sido
  completada la operación.
• Instrucciones simples, de formato fijo, con pocos
  modos de direccionamiento.
• Las instrucciones simples reducen de manera muy
  significativa el esfuerzo para su decodificación,
  y favorecen su ejecución en pipelines.
• Las instrucciones de longitud fija, con formatos
  fijos, implican que los campos de códigos de
  operación (opcodes) y de los operandos están
  siempre codificados en las mismas posiciones,
  permitiendo el acceso a los registros al mismo
  tiempo que se está decodificando el código de
  operación.

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Otras Características

• Todas las instrucciones tienen una longitud
  equivalente a una palabra y están alineadas en la
  memoria en palabras, ya que no pueden ser
  repartidas en pedazos que puedan estar en
  diferentes páginas.
• Ausencia de microcódigo.
• El microcódigo no se presta a la ejecución en
  ciclos únicos, ya que requiere que el hardware
  sea dedicado a su interpretación dinámica.
• La programación en microcódigo no hace que el
  software sea más rápido que el programado con un
  conjunto de instrucciones simples.
• Todas las funciones y el control, en los
  procesadores RISC, están "cableados" (hardwired),
  para lograr una máxima velocidad y eficiencia.
• Ejecución en pipelined.
• Las instrucciones simples, de formato fijo y
  ciclo único permiten que las diferentes etapas de
  los ciclos de ejecución (búsqueda o fetch,
  decodificación, ejecución, y escritura del
  resultado) para instrucciones múltiples, se
  puedan realizar simultáneamente, de un modo más
  simple y eficaz.
• Ejecución en ciclos únicos (single-cycle).
• El resultado directo de los conjuntos de
  instrucciones que ofrecen los procesadores RISC,
  es que cada instrucción puede ser ejecutada en un
  único ciclo de la CPU.

24
Esquema de un Sistema Pipeline
25
Arquitectura de la CPU de un microProcesador RISC
26
Descripción Detallada de los Registros del
Procesador
27
Continuación Descripción de Registros del
Procesador
28
Microprocesador Intel Pentium
29
Sistemas Paralelos y Multiprocesadores

• El desempeño de los computadores determina la
  clase de problemas que se pueden resolver.
• Existen problemas tan complejos y de gran tamaño
  (cantidad de datos), que su solución podría tomar
  mucho tiempo (días, meses, años).
• Algunas áreas con fuerte demanda por la
  computación de alto desempeño son
• Química molecular.
• Astrofísica.
• Genética.
• La carrera espacial.
• Computación gráfica.
• Geometría Computacional.
• Bases de Datos Masivas (Data Warehouse).
• Simulaciones.
• Búsqueda Web, etc.

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Clasificación de los Computadores

• Clasificación de Flynn
• SISD (Single Instruction Stream Single Data
  Stream)
• Computador convencional ? Un solo procesador
• Un flujo de instrucciones y de datos
• SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data
  Stream)
• Procesadores matriciales y multiprocesadores
• Una Unidad de control y multiples elementos de
  proceso (PE)
• Una misma instrucción se aplica a
  multiples/distintos datos
• MISD (Multiple Instruction Stream Single Data
  Stream)
• Unidades segmentadas/vectoriales, procesadores
  sistólicos
• Múltiples PE actúan sobre un único flujo de datos
• MIMD (Multiple Instruction Stream Multiple Data
  Stream)
• Multiprocesadores de propósito general.
• Múltiples PE actúan sobre múltiples flujos de
  datos.

31
SIMD vs. MIMD
32
Características de los Sistemas MIMD con Memoria
Compartida.

• Sistemas MIMD Fuertemente Acoplado Memoria
  Compartida.
• Fácil de contruir, con SO convencionales y
  Procesadores SISD.
• Limitaciones confiabilidad y escalabilidad. Si
  falla un elemento puede fallar todo el sistema.
• El incremento de procesadores puede producir un
  cuello de botella en el bus al competir por el
  uso de memoria.
• En general, la programación se hace a través de
  Threads o Hilos (POSIX, Solaris, etc.)

33
Características de los Sistemas MIMD con Memoria
Distribuida.

• Sistemas MIMD Débilmente Acoplado Memoria
  Distribuida.
• Ejemplo los Clusters.
• Un cluster o agrupamiento de máquinas, es un tipo
  de sistema de procesamiento paralelo o
  distribuido, que consiste en una colección de
  PC's autónomos interconectados trabajando unidos
  como un solo recurso de computación integrado.
• Ejemplo, son los cluster Beowulf.
• En un cluster típico podemos encontrar
  generalmente un nodo servidor y uno o más nodos
  esclavos en red,  que se implementan sobre un
  sistema multicomputador y que utiliza mecanismos
  de paso de mensajes a través de librerías tales
  como
• MPI (Message Passing Interface).
• PVM (Parallel Virtual Machine).
• Cada nodo o computador posee su sistema operativo
  (por ejemplo, Linux), un tarjeta de red y su
  disco desde donde arranca el sistema operativo
  (aunque esto último no es necesario).

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Ejemplo de una configuración Cluster
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Breve Historia de los Sistemas Operativos

• Década 1940 Primero computadores, no existen
  sistemas operativos.
• Década 1950 Procesamiento Batch.
• Década 1960 Multiprogramación.
• Década 1970 (principios) Time-Sharing
  minicomputadores.
• Década 1980 (principio) Microprocesadores PC.
• Década 1970, 1980 Redes, Sistemas Distribuidos,
  Sistemas Paralelos.
• Década 1990 y Futuro PCs, WWW, Sistemas Móviles
  (redes móviles e inalámbricas), Sistemas
  Distribuidos.