Buch lesen: «Computadores para bases de datos. IFCT0310»

Capítulo 1Definición e identificación de la estructura y componentes principales de un computador de propósito general atendiendo a su función y utilidad
1.Introducción

Tradicionalmente en el campo de la informática existían unos pocos fabricantes que, por su capacidad de innovación y desarrollo, acaparaban el mercado tecnológico (Intel, IBM, etc.).

Las tecnologías informáticas en las últimas décadas han evolucionado a pasos agigantados, pasando a utilizar cada vez procesadores más rápidos y más pequeños. Aparecen los denominados microprocesadores.

Los cambios también han repercutido en el diseño y la arquitectura de los mismos, así como en las interfaces y/o puertos que emplean los dispositivos externos. Puede decirse que son avances en cadena, ya que una pequeña mejora tecnológica en uno de ellos afecta a todos los eslabones asociados (procesador, memoria, discos, periféricos...).

En la actualidad han aparecido otros fabricantes como Microsoft o Apple, que diversifican y enriquecen el mercado de las nuevas tecnologías.

2.Procesador

El procesador o Unidad Central de Procesamiento (CPU, Central Processing Unit, en inglés) es la parte principal de un computador, sin la cual no se puede poner en funcionamiento. Permite que funcionen todos los componentes internos, así como el sistema operativo y las aplicaciones informáticas; es decir, se encarga de procesar toda la información.

Además, transforma la información que se introduce en la computadora en formato binario a instrucciones almacenadas en la memoria de la misma.

Socket

CPU

El procesador está formado por una pastilla de silicio en la que se integran millones de transistores de pequeño tamaño formando un circuito electrónico, ubicado en un zócalo (o socket) de la placa base. Además, para el correcto funcionamiento es necesario un sistema de refrigeración, normalmente es un ventilador colocado en un disipador de metal.

Sabía que...

La palabra socket significa enchufe y se conecta a la placa base mediante hilos de cobre llamados pines.

La velocidad del procesador depende del número de operaciones por ciclo que puede efectuar y los ciclos por segundo que desarrolla o frecuencia de reloj. La frecuencia de reloj se mide en hertzios.

2.1.Identificación de los distintos tipos de procesadores (CISC y RISC), así como sus diferentes partes (set de instrucciones, registros, contador, unidad aritmético-lógica, interrupciones)

Para mejorar el rendimiento de los procesadores existentes era necesario incrementar su velocidad de trabajo, por lo que las mejoras que se llevan a cabo dan lugar a dos tipos de arquitecturas de procesadores: CISC y RISC. Por ello existen:

Procesadores CISC (Complex Instruction Set Computer u Ordenador de Conjunto de Instrucciones Complejas): tienen un número de instrucciones elevado (más de 200), son más complejas y necesitan una mayor cantidad de circuitos para decodificación, por lo que disminuye la velocidad de proceso. Existen diferentes formatos para las instrucciones y su diseño hace que haya que acceder en múltiples ocasiones a memoria.

Procesadores RISC (Reduced Instruction Set Computer u Ordenador de Conjunto de Instrucciones Reducidas): tienen un menor número de instrucciones (menos de 128) y son más simples. Existen pocos formatos de instrucciones, por lo que los accesos a memoria son más rápidos y se accede menos veces, ya que el procesador tiene un mayor número de registros.

Importante

Los procesadores CISC Y RISC se diferencian entre sí por las características de las instrucciones que ejecutan.

En la siguiente tabla aparece un resumen de las características de cada uno de los tipos de procesadores CISC y RISC según su rendimiento y diseño, los cuales se han descrito anteriormente.

Diferencias entre los procesadores CSIC y RISC

Actividades

1.Realice un dibujo de una CPU (Unidad Central de Procesamiento) e indique las partes que la componen.

2.Realice una tabla con las ventajas e inconvenientes de la arquitectura CISC y RISC.

Un procesador está dividido en partes diferenciadas, cada una de las cuales tiene una función determinada y están interconectadas entre sí. Estas partes son las siguientes:

Set de instrucciones

El set de instrucciones o repertorio son todas las operaciones que puede realizar un procesador.

Un ciclo de instrucción o fetch and execute (búsqueda y ejecución) es el período que tarda el procesador en ejecutar una instrucción. Se divide en dos ciclos: ciclo de búsqueda y ciclo de ejecución.

Registros

Son espacios reservados en la memoria del procesador que tienen mucha velocidad, superior a la memoria del sistema (o memoria RAM) y poca capacidad. Se emplean para almacenar temporalmente direcciones y datos durante la ejecución de instrucciones.

Los registros representan la memoria más rápida de todas y se miden según el número de bits que pueden almacenar (registro de 8 bits o registro de 32 bits). Según el tipo de datos que guardan, los registros se dividen en:

Registros de datos: para números enteros.

Registros de memoria: para direcciones de memoria.

Registros de propósito general: para datos y direcciones de memoria.

Registros de punto flotante: para datos de FPU (o Unidad de Punto Flotante).

Registros de propósito específico: para datos del estado del sistema.

Para el funcionamiento del procesador, este consta de una serie de registros llamados registros de uso general, los cuales se emplean como almacén temporal de los datos con los que opera la ALU (Arithmetic Logic Unit o Unidad Aritmético-Lógica).

Además, dispone de un registro de dirección de memoria (DM), donde se ubica la dirección del dato o instrucción a leer/escribir y de un registro de memoria (RM), donde se almacena el dato a escribir o la información leída de la memoria.

Importante

La longitud de los registros se mide en bits o palabras, normalmente es de una palabra (32 bits) aunque puede variar.

El lenguaje máquina incluye instrucciones que operan entre registros, siendo uno de ellos el acumulador donde se deposita el resultado. La memoria principal está conectada al exterior por dos buses, uno de direcciones y otro de datos, además de una señal de control (llamada R/W) para indicar si debe leer o escribir.

La Unidad de Control (UC), formada por los circuitos que generan las señales de control, contiene el registro de instrucción (IR o Instruction Register) que memoriza temporalmente la instrucción del programa que la unidad de control está interpretando o ejecutando.

Para captar la instrucción, la Unidad de Control tiene que saber la dirección de memoria donde está la instrucción en ejecución. Esta dirección de memoria se encuentra en el contador del programa (PC o Program Counter).

Contador

También llamado contador de programa (CP), es un registro fundamental en el que aparece -dependiendo de la máquina- la dirección de memoria donde se encuentra la siguiente instrucción a ejecutar y que hay que llevar al registro de instrucción y, en otros casos, se almacena la dirección de memoria actual que es la última instrucción leída.

Importante

Al ejecutar una instrucción, el contador de programa aumenta su contenido en una unidad. Al iniciar un ciclo, se ejecuta la instrucción de la siguiente posición de memoria, y así sucesivamente.

Unidad Aritmético-Lógica

La Unidad Aritmético-Lógica (o ALU) es el circuito que calcula las operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación, etc.) y las operaciones lógicas (si, no, etc.) entre los números. Un mismo procesador puede tener varias unidades aritmético-lógicas, aunque cada unidad varía según el tipo de procesador.

Asociado al acumulador y a la unidad aritmético-lógica hay unos biestables indicadores que se ponen a 0 ó 1 según la última operación realizada en la ALU (Arithmetic Logic Unit o Unidad Aritmético-Lógica). El conjunto de los biestables forma la palabra de estado (o SW, status word).

Nota

Un biestable es un circuito elemental que puede almacenar dos estados estables diferentes mientras no haya un cambio, considerado una celda de memoria.

Interrupciones

Una interrupción es una llamada automática a procedimiento por una causa externa al programa. Normalmente, está relacionada con las operaciones de entrada/salida. Esta detiene el programa en curso y transfiere el control al procedimiento de tratamiento de la interrupción llamado rutina de servicio de interrupción; cuando la rutina finaliza, se devuelve el control al proceso interrumpido, continuando la ejecución en el mismo estado en el que estaba cuando se produjo la interrupción. Por lo que hay que salvar el contenido de los registros antes de empezar la rutina de servicio y restaurarse cuando finalice la rutina.

Las interrupciones son necesarias cuando las entradas o salidas se producen en paralelo a la ejecución de instrucciones en el procesador, para que el procesador sepa cuándo ha terminado el dispositivo de entrada/salida.

Actividades

3.Amplíe la información sobre la ALU o Unidad Aritmético-Lógica.

4.Elabore un dibujo sobre el funcionamiento del procesador, incluyendo las partes del mismo y cómo se transmite la información.

2.2.Enumeración y clasificación de los conjuntos de instrucciones principales de un procesador de la familia 8086

La familia de computadores 8086 surge cuando Intel decide ampliar el bus de datos a 16 bits, apareciendo el procesador 8086 y, posteriormente, el 8088.

Otra característica de esta familia es que la velocidad de trabajo aumenta hasta 10 MHz, ya que en un mismo ciclo de reloj se usan instrucciones de 16 bits; y con el bus de direcciones de 20 bits se puede direccionar hasta 1 Mb de memoria. Aparecen así los primeros microprocesadores de la familia x86, debido a que todos ellos tenían una arquitectura común.

Para poder comunicarse con el computador, el usuario lo hace a través de una serie de instrucciones u órdenes que luego ejecutará un programa.

Importante

Una instrucción está formada por un código y unos operadores.

Las instrucciones de un procesador de la familia 8086 se clasifican en:

Transferencia de datos: mueven datos (elementos de entrada/salida) desde la memoria a los registros internos y viceversa y entre registros. Algunas instrucciones pueden mover un conjunto de datos de una sola vez.

Aritméticas: ejecutan las operaciones matemáticas como sumar, restar, multiplicar o dividir.

Lógicas: realizan ciertas operaciones lógicas como por ejemplo AND y OR.

Transferencia del control del programa: rompen la secuencia lineal del programa y saltan a otro punto del mismo.

Control: son las que actúan sobre el procesador, accediendo a funciones como activar/desactivar las interrupciones, detener el procesador, etc.

Recuerde

Una instrucción es una operación que puede realizar un computador.

A continuación, en la siguiente tabla, se detallan los códigos que se utilizan en los distintos tipos de instrucciones principales en un procesador de la familia 8086.