Modelo de Arquitectura de Computadoras

UNIDAD 1 “ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS”

INSTUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE VALLADOLID

ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS CLASICAS SEGÚN VON NEUMANN.

El Concepto de von Neumann.• Los primeros computadores se programaban en realidad re

cableándolos. Esto prácticamente equivalía a reconstruir todo el computador cuando se requería de un nuevo programa. La tarea era simplificada gracias a un panel de contactos con el que era posible enlazar circuitos para crear secciones dedicadas a una actividad específicas. La programación del computador se llevaba a cabo, literalmente, reconstruyéndolo.

• Mientras que el re cablear al computador establecía una clara distinción entre los datos (representados por los estados o señales eléctricas que serín mantenidas por los relevadores o a través de los bulbos que conformaban al computador) y el programa (las conexiones que serían establecidas entre estos componentes del hardware) la labor de "programación" requería sino del propio creador del computador si a un verdadero experto y conocedor de electrónica, principios de lógica digital y del problema mismo.

ORIGENo El nacimiento de la arquitectura Von Neumann surge a raíz

de una colaboración en el proyecto ENIAC del matemático de orígen húngaro, John Von Neumann.

o Este trabajaba en 1947 en el laboratorio atómico de Los Alamos cuando se encontró con uno de los constructores de la ENIAC

o Von Neumann se interesó por el problema de la necesidad de "recablear" la máquina para cada nueva tarea.

EMBOTELLAMIENTO DE VON NEUMANN La separación entre la CPU y la memoria lleva al

embotellamiento de Von Neumann Procesamiento limitado de datos

LA ARQUITECTURA DE VON NEUMANN SE COMPONE DE TRES ELEMENTOS:

1. La Unidad Central de Procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés). Internamente consiste de una Unidad Aritmético-Lógica (ALU), un conjunto de registros y una Unidad de Control (CU). La ALU es donde se realizan todas las operaciones que involucran un procesamiento matemático (particularmente aritmético) o lógico (operaciones booleanas). En la CU es donde se ejecutan todo el resto de las operaciones (decisión, control, movimiento de datos).

2. La memoria, que es donde datos y programa es almacenado. La memoria puede ser visto como un arreglo unidimensional finito en la que cada localidad es identificada por un valor asociado a su posición y que es comúnmente llamado dirección. Se clasifican en dos grandes grupos por tipo de uso al que de destina.

• La memoria RAM (Random Access Memory, Memoria de Acceso Aleatorio). • La memoria ROM, Es usada principalmente para el

almacenamiento de pequeños programas destinados a la administración básica de recursos, especialmente de entrada y salida.

3. Las interfaces de entrada y salida (I/O). destinadas a liberar de trabajo a la CPU en la comunicación con dispositivos de entrada (teclados, ratones), salida (impresoras) y entrada-salidas (discos, cintas).

ESQUEMA DE LA ARQUITECTURA DE VON NEUMANN.

• La arquitectura von Neumann se refiere a las arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos (a diferencia de la arquitectura Harvard).

• El término se acuñó en el documento First Draft of a Report on the EDVAC (1945), escrito por el conocido matemático John von Neumann, que propuso el concepto de programa almacenado. Dicho documento fue redactado en vistas a la construcción del sucesor de la computadora ENIAC, y su contenido fue desarrollado por Presper Eckert, John Mauchly, Arthur Burks, y otros durante varios meses antes de que Von Neumann redactara el borrador del informe.

Los ordenadores con arquitectura Von Neumann constan de cinco partes: La unidad aritmético-lógica o ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datos que proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes.

o Obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.

o Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar el siguiente.

o Descodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.

o Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas. El contador puede cambiar también cuando se cumpla una cierta condición aritmética, haciendo que el ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmética y lógica anteriores.

o Vuelve al paso 1

FUNCIONAMIENTO DEL MODELO VON NEUMANN

UN ORDENADOR CON ARQUITECTURA VON NEUMANN REALIZA O EMULA LOS

SIGUIENTES PASOS SECUENCIALMENTE:

1. Obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.

2. Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.

3. Descodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.

4. Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas. El contador puede cambiar también cuando se cumpla una cierta condición aritmética, haciendo que el ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmética y lógica anteriores

CPU: Unidad Central de Proceso.

La Unidad de Control (UC). La memoria. Un dispositivo de

entrada/salida. Buses de interconexión.

LOS ORDENADORES CON ESTA ARQUITECTURA CONSTAN DE CINCO PARTES:

ALU: Unidad Aritmética Lógica.

ACC: Acumulador. IP: Apuntador de

instrucciones. ID: Decodificador de

instrucciones. CCR: Registro de código

de instrucciones.

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO SE COMPONE POR:

Unidad Aritmética Lógica (ALU): Es un circuito digital que calcula operaciones aritméticas (sumas, restas, etc.) y operaciones lógicas (NOT, OR, AND, etc.).

Unidad de Control (UC): Es una unidad encargada de activar o desactivar los diversos componentes del microprocesador, en función de la instrucción que se esté ejecutando y de la etapa en que se esté ejecutando. A la vez, es la encargada de interpretar y ejecutar las instrucciones almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas.

Memoria: Componente de un computador que es capaz de retener datos informáticos durante un intervalo de tiempo.

Bus de Datos: Dispositivo que funciona de transporte de datos y conexión entre las distintas partes de un sistema informático.

PRIMEROS ORDENADORES BASADOS EN ARQUITECTURAS VON NEUMANN

• La primera saga se basaba en un diseño que fue utilizado por muchas universidades y empresas para construir sus equipos. Entre estos, sólo ILLIAC y ORDVAC tenían un conjunto de instrucciones compatible.

ORDVAC (U-Illinois) en Aberdeen Proving Ground, Maryland (completado en noviembre de 1951)

IAS machine en Princeton University (Jan 1952) MANIAC I en Laboratorio Cientifico Los Alamos(Mar 1952) ILLIAC en la Universidad de Illinois, (Sept 1952) AVIDAC en Laboratorios Argonne National (1953) ORACLE en Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Jun 1953) JOHNNIAC en RAND Corporation (Jan 1954) BESK en Estocolmo (1953) BESM-1 en Moscú (1952) DASK en Dinamarca (1955) PERM en Munich (1956?) SILLIAC en Sydney (1956) WEIZAC en Rehovoth (1955)

Milestones:WEIZAC Computer, 1955

DESVENTAJAS DEL MODELO:

o La principal desventaja de esta arquitectura, es que el bus de datos y direcciones único se convierte en un cuello de botella por el cual debe pasar toda la información que se lee de o se escribe a la memoria, obligando a que todos los accesos a esta sean secuenciales.

o Esto limita el grado de paralelismo (acciones que se pueden realizar al mismo tiempo)

ARQUITECTURA HARVARD.

• Esta arquitectura surgió en la universidad del mismo nombre, poco después de que la arquitectura Von Newman apareciera en la universidad de Princeton. El nombre proviene del computador Harvard Mark I.

• Al igual que en la arquitectura Von Newman, el programa se almacena como un código numérico en la memoria, pero no en el mismo espacio de memoria ni en el mismo formato que los datos.

• Por ejemplo, se pueden almacenar las instrucciones en doce bits en la memoria de programa, mientras los datos de almacenan en ocho bits en una memoria aparte.

¿QUÉ ES LA ARQUITECTURA HARVARD?

• Es una arquitectura de computadora con pistas de almacenamiento y de señal físicamente separadas para las instrucciones y para los datos.

Funcionamiento

CARACTERISTICAS• Tiene la unidad central de proceso (CPU) conectada a dos memorias (una

con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos buses diferentes.• Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa

(Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos).• Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU

pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones.

• Buses independientes, estos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud.

• En esta arquitectura se utilizan dispositivos separados para las instrucciones y los datos, para  que haya mayor rapidez se utiliza la memoria cache dividida, para procesar los datos e instrucciones, es efectivo cuando la lectura de datos e instrucciones es la misma.

DIAGRAMA A BLOQUES DE LA ARQUITECTURA HARVARD

EJEMPLOS

• Un ejemplo de arquitectura Harvard son algunos micros Atmel AVR, sólo que éstos presentan una arquitectura modificada.

• También los encontramos en procesadores Texas Instruments TMS320 C55x.

• Un modelo de arquitectura Harvard sería el PIC16Fxxx con un bus de datos de 14-bits para memoria de programas y un bus independiente de 8-bits para acceder a la memoria de datos.

VENTAJAS• Esta arquitectura se usa

principalmente en procesadores de señales digitales como el audio y el video.

• Acceso simultáneo a más de una memoria del sistema

• El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.

• El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.

• La ventajas de uso de la arquitectura Harvard es cuando la frecuencia de lectura de las instrucciones y los datos es aproximadamente la misma.

• En la actualidad la mayoría de los procesadores modernos se conectan al exterior de manera similar a la arquitectura Von Newman.

• No es una arquitectura muy usada.• Deben poseer instrucciones especiales para

acceder a tablas de valores contantes que pueda ser necesario incluir en los programas ya que estas tablas se encontraran físicamente en la memoria de programa.

• Consume muchas líneas de E/S del procesador, por lo que en sistemas donde el procesador esta ubicado en su propio encapsulado, solo se utiliza en supercomputadoras.

• Cuando solo hay una memoria cache la divide en dos disminuyendo el rendimiento en caso de que las instrucciones o los datos no tenga el mismo espacio

DESVENTAJAS

DIFERENCIA CON VON NEUMANN

• Este tipo de arquitectura se diferencia de la arquitectura Von Neumann porque utiliza un sistema de almacenamiento separado físicamente para las instrucciones y para los datos.

• Las instrucciones y los datos se almacenan de manera separada en la memoria caché.

• También por la separación de los datos y las instrucciones que se comunican con la unidad central de proceso en dos memorias separadas, con lo que también se usan distintos buses de información.

• Aunque es común un único bus de direcciones, con un control que diferencie entre ambas memorias.

COMPARACIÓN

INTEGRANTES DEL EQUIPO

• BR. POOT CANCHE JOSUE JOVANI• BR. POOT TUN DANIEL ALEJANDRO• BR. ARELLANO AVILES OSCAR• BR. JIMENEZ SANCHEZ JOSE SALVADOR• BR. ROMAN DZUL JONATHAN ULISES• BR. TORRES NOVELO GILMER JESUS