Tema 6: Organizacion de un Computador
Organizacion de un Computador
Funcion del computador ATTACH
La funcion basica de un computador es la de ejecutar un programa, que consiste en un conjunto de instrucciones y datos almacenados en la unidad de memoria.
La secuencia de operaciones realizadas en la ejecucion de una instruccion forma el ciclo de instruccion. Y este, a su vez, se puede dividir en dos pasos basicos:
- Fase o ciclo de busqueda: Es comun a todas las instrucciones. En ella, se localiza la instruccion en la memoria y se lee.
- Fase o ciclo de ejecucion: Depende de la naturaleza de la instruccion que va a ejecutar. Normalmente se requiere la codificacion de la instruccion, la busqueda de los operandos y la ejecucion de la operacion especificada por el codigo de la instruccion.
La ejecucion de un programa consiste en la repeticion ciclica de las fases de busqueda y ejecucion de las instrucciones.
Esta tarea se finaliza cuando se da una de las siguientes circunstancias:
- Se desconecta el computador.
- Ocurre algun tipo de error irrecuperable.
- Se ejecuta en el propio programa que fuerza su terminacion.
Cuando comienza cada ciclo de la instruccion, la CPU busca en la memoria una instruccion.
El contador de programa (program counter, PC) que se utiliza para controlar la posicion de la memoria donde se tiene que buscar la proxima instruccion (que se encuentra en la siguiente direccion de memoria.)
De esta manera, la CPU buscara la proxima instruccion de forma secuencial.
La Instruccion leida se almacena en un registro de la CPU que se conoce con el nombre de registro de instruccion (instruction register, IR).
La instruccion, que esta codificada en binario, especifica el tipo de accion que debe llevar a cabo la CPU.
La CPU interpreta la instruccion y ejecuta la accion indicada.
El ciclo de interrupcion es el mecanismo mediante el cual los modulos de E/S y la memoria pueden interrumpir el procesamiento normal de la CPU.
El objetivo fundamental de una interrupcion es mejorar el rendimiento de los contadores desde el punto de vista de la velocidad de procesamiento.
La CPU es mucho mas rapida que los dispositivos perifericos.
Se considera un mal uso de la CPU que, mientras que el periferico esta llevando a cabo una accion, despues de cada operacion la CPU deba parar y permanecer en estado de espera hasta que el periferico concluya la tarea.
Si se utilizan interrupciones, la CPU puede estar ocupada ejecutando otras instrucciones mientras se esta realizando en paralelo la operacion de E/S.
Cuando la CPU puede estar ocupada ejecutando otras instrucciones y realizando en paralelo la operacion E/S:
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Cuando el dispositivo de E/S ya esta listo para recibir otro dato o instruccion de la CPU, el modulo de E/S envia a la CPU una senal de peticion de interrupcion.
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La CPU responde interrumpiendo el otro programa al que estaba prestando servicio y activando el programa que estaba prestando servicio al periferico que ha emitido la peticion.
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Cuando la CPU ha terminado de atender la peticion del periferico, vuelve otra vez al programa que estaba ejecutando y continua en el punto en el que lo interrumpio.
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El proceso de interrupcion produce un retardo: dado que deben ejecutarse instrucciones extras en el gestor de interrupciones (para determinar la naturaleza de la interrupcion y decidir cual es la mas apropiada.) Sin embargo, es mucho mayor el tiempo que se perderia al hacer esperar la CPU.
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Las interrupciones no se atienden siempre de forma instantanea: Es posible desactivarlas todas (consiguiendo que la CPU las ignore al recibirlas) o de forma selectiva, y posteriormente, volverlas a activar.
Estructuras de Interconexion ATTACH
Un bus es una via de comunicacion que conecta dos o mas dispositivos:
El bus se puede definir como un medio de transmision compartido porque a el se conectan multiples dispositivos, y una senal transmitida por cualquiera de ellos puede ser recibida por cualquiera de las otras unidades conectadas.
Si dos dispositivos tratan de transmitir a la vez, las dos senales se solparian y se perderian. Esto quiere decir que, en un determinado instante de tiempo, solo puede transmitir un unico dispositivo. Mientras que la recepcion de esta senal se puede realizar por varios dispositivos simultaneamente.
Las funciones de un bus son soportar la informacion a transmitir y garantizar la correcta comunicacion entre los elementos que comparten el bus.
Fisicamente, un bus es un conjunto de lineas de comunicacion en el que cada linea puede transportar un 1 o un 0. Dado que en un instante de tiempo una linea puede transmitir una secuencia binaria, con varias lineas se puede transmitir informacion en paralelo.
Es habitual que los computadores cuenten con una serie de buses que suponen vias de comunicacion entre sus componentes en los distintos niveles jerarquicos.
Se denomina el bus del sistema a aquel que conecta las unidades principales de un computador (CPU, memoria, y E/S). Las estructuras de interconexion mas frecuentes se basan en el uso de uno o mas buses de este tipo.
Interconexion Mediante Bus ATTACH
Un bus se define como una via de comunicacion que conecta a dos o mas dispostivios. El buse se puede definir como un medio de transportacion compartido porque a el se conectan multiples dispositivos y una senal transmitida por cualquiera de ellos puede ser recibida por cualquiera de las otras unidades conectadas.
Fisicamente, un bus se compone de un grupo de lineas de comunicacion en el que cada linea puede transportar un cero o un uno.
Dado que, en un instante de tiempo concreto, una linea puede enviar una secuencia binaria, con varias lineas se puede transmitir informacion en paralelo.
Los computadores cuentan con una serie de buses que suponen modos de comunicacion entre sus elementos en los distintos niveles jerarquicos. En este contexto, se denomina bus del sistema a aquel camino que une las unidades “clave” de un computador (E/S, CPU y memoria).
Las lineas se pueden clasificar en:
- Linea de Alimentacion: Son lineas que abastecen de energia a los distintos modulos del sistema.
- Linea de referencia: Linea respecto a la cual se marcan las tensiones del resto de lineas.
- Linea de datos: Son lineas que sirven como via para transmitir datos entre los bloques del sistema. Se suelen agrupar de a 8, 16, 32, 64, o 128 lineas independientes que se conocen como bus de datos. Dado que cada linea puede transmitir un bit en un instante concreto, el numero de lineas determina el numero de bits que se pueden transmitir de forma instantanea.
- Linea de direccion: Estas lineas se emplean para seleccionar el destino o la fuente de informacion que esta en el bus de datos. Ademas, es posible direccionar los puertos de E/S. En este caso, los bits mas significativos se usan para seleccionar el modulo especifico conectado al bus y los menos significativos para seleccionar la memoria o el puerto E/S dentro del modulo.
- Linea de control: Estas lineas controlan el uso, el acceso a las lineas de datos y de direccion. Estas son compartidas por todos los elementos del sistema y cuentan con mecanismos que controlan su utilizacion. Estas lineas transmiten informacion de temporalizacion y ordenes.
Estructura Jerarquica de Buses ATTACH
El rendimiento del bus puede verse comprometido si se aumenta el numero de elementos conectados a el debido a:
- El retardo de propagacion se incrementa cuando se incrementa el numero de dispositivos que se encuentran conectados al bus.
- Si el numero de solicitudes de transferencia se van acumulando, la capacidad del bus puede llegar a atascarse. para evitar este problema, la velocidad a la que el bus es capaz de transmitir sus datos se puede aumentar y/o el numero de carriles disponibles se puede incrementar.
- Conectar en el bus dispositivos de diferentes naturalezas (dispositivos rapidos y lentos, de uso periodico o aperiodicos, que transmiten grandes o pequenas cantidades de informacion…)
La solucion a este problema es la de jerarquizar la estructura de interconexion del computador.
Elementos de diseno del bus:
| Tipo | Metodo de Arbitraje | Temporizacion | Anchura del Bus | Transferencia de Datos |
|---|---|---|---|---|
| Dedicado | Centralizado | Sincrona | Direccion | Transferencia de escritura |
| No dedicado | Distribuido | Asincrona | Datos | Transferencia de lectura |
Las lineas del bus se pueden clasificar en dos tipos basicos:
- Dedicadas: Las lineas del bus dedicadas se asignan de forma permanente a una funcion o a un conjunto de componentes del computador.
- No Dedicadas: Las lineas de bus no dedicadas, no estan asignadas a una funcion de forma permanente.
Los tipos de metodos de arbitraje se pueden clasificar en centralizado y distribuido.
El objetivo de ambos es el de nombrar a un dispositivo, que puede ser un modulo de E/S o la CPU, como maestro o arbitro. Este arbitro se encarga de iniciar la transferencia de datos con otro dispositivo que se comporta como esclavo en este intercambio particular de informacion.
En el tipo centralizado, un solo dispositivo, llamado controlador del bus o arbitro, es el encargado de gestionar el tiempo de uso del bus. Este dispositivo puede formar parte de la CPU o ser un modulo independiente. Cuando el arbitro acepta una solicitud del bus, consciente su uso activando la linea de autorizacion del bus que esta conectado con todos los dispositivos.
Un esquema distribuido no tiene un controlador central. Cada modulo tiene la logica de control necesaria para conectarse al bus y todos trabajan de forma cooperativa compartiendo recursos.
La temporizacion puede ser o sincrona o asincrona.
La transferencia de datos en un bus se puede clasificar en:
- Transfernecia de Escritura: El maestro envia la informacion y la recibe el esclavo.
- Transferencia de Lectura: El esclavo envia el dato, y este es leido por el maestro.
Tambien se puede diferenciar si la transferencia:
- Posee multiplexacion temporal de direcciones y datos: de esta manera, el bus se emplea para definir la direccion y, tras eso, se envia el dato.
- No posee multiplexacion temporal de direcciones y datos: se cuenta con una linea especifica de datos y otra para direcciones.
Puertas triestado: circuitos logicos que cuentan con una senal de control que permite en la salida mostrar tres posibles estados:
| A | C | Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | Driver Desconectado |
| 1 | 0 | Driver Desconectado |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Bus unidireccional: La introduccion de circuitos triestados posibilita la seleccion de instantes de paso de informacion o la posibilidad de aislar una parte del bus.
Bus bidireccional: los circuitos triestados controlan la direccion correcta de transito de la informacion.
