Estructura y Operaci n de la Microcomputadora

Estructura y Operaci n de la Microcomputadora PowerPoint PPT Presentation


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2. Microcomputadora. Una microcomputadora es una computadora que tiene un microprocesador.El primer microprocesador comercial fue el Intel 4004, que sali - PowerPoint PPT Presentation

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Estructura y Operaci n de la Microcomputadora

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Presentation Transcript


1. 1 Estructura y Operación de la Microcomputadora Prof. Edgardo Vargas Moya

2. 2 Microcomputadora Una microcomputadora es una computadora que tiene un microprocesador. El primer microprocesador comercial fue el Intel 4004, que salió el 15 de noviembre de 1971. Desde el lanzamiento de la computadora personal de IBM, el término computadora personal se aplica a las microcomputadora orientados a los consumidores. La primera generación de microcomputadora fue conocida también como computadoras domésticas. Fue el lanzamiento de la hoja de cálculo VisiCalc lo que hizo que los microcomputadoras dejasen de ser un pasatiempo para los aficionados de la informática para convertirse en una herramienta de trabajo.

3. 3 Hoja de Cálculo VisiCalc

4. 4 Commodore 64 Tipo Computadora doméstica Desarrollador Commodore International Comercializado Agosto 1982 Descatalogado Abril 1994 Procesador MOS Technology 6510 @ 0.985MHz -1.02 MHz Memoria 64 KB Pantalla Monitor tubo rayos catódicos / TV Sistema Operativo Commodore BASIC 2.0

5. 5 Elementos de la Microcomputadora Es importante distinguir entre microcomputadora (µC) y el microprocesador (µP). La µC contiene varios elementos importantes entre los que encontramos los µP el cual es un chip LSI que contiene al CU y al ALU. Entre los elementos de la µC en adición al µP encontramos los unidades de memoria (RAM, ROM), Unidades de I/O, etc. Estos elementos son construidos con chips LSI (Integración a grande escala) los cuales le proporciona sus diferentes características dependiendo de su diseño. Aunque los chips han evolucionado desde SSI a ULSI, siempre que se hace referencia a ellos se les conoce como LSI. La tecnología LSI a permitido el desarrollo de microcontroladores los cuales incluyen ROM, RAM, EEPROM, Clock, MPU, convertidores A/D y circuitos I/O todo en un solo circuito. Ejemplo es el 68HC11 de Motorola.

6. 6 Visión Estructural – Nivel Superior

7. 7 Estructura - El CPU (MPU)

8. 8 Microelectrónica El aumentar el numero de transistores para incrementar el poder de la computadora se volvió muy difícil debido al tamaño. Nace la Microelectrónica lo que significa literalmente “pequeña electrónica” La computadora es hecha de compuertas lógicas (AND, OR, NOT, etc.), celdas de memoria e interconexiones. Tercera generación: Circuitos Integrados, 1958. Ejemplos de ellas: IBM System 360 y la DEC PDP-8. Estas pueden ser manufacturadas en semiconductores ej. silicón

9. 9 Circuito Integrado Dimensiones de esta vista previa: 681 × 599 píxeles

10. 10 Circuitos Integrados Integración a pequeña escala (SSI) - 1965 en adelante. Hasta 100 dispositivos en un chip Integración a mediana escala (MSI) - 1971 Entre 100-3,000 dispositivos en un solo chip Integración a grande escala (LSI) - 1971-1977 Entre 3,000 - 100,000 dispositivos en un solo chip Integración a escalas mucho más grandes (MLSI) - 1978 Entre 100,000 - 100,000,000 dispositivos en un chip Integración a escales muy grande (VLSI)- 1980 100,000,000 dispositivos en un chip Integración a escales ultra grande (ULSI)- 1990 superior a 100,000,000 dispositivos en un chip

11. 11 Ley Moore Gordon Moore - cofundador de Intel junto a Robert Noyse y Ted Hoft en el 1965. Predijo que el número de transistores en un chip se duplicaría cada año. Desde el 1970 se duplica cada 18 meses. Desde el 1980 se duplica cada 12 meses. Desde el 1990 se duplica cada 6 meses. Desde el 2000 al presente se duplica cada 3 meses. Beneficios: El costo de los chips se ha mantenido sin cambio alguno. Alta densidad de empaque significa que los caminos son más cortos, haciendo una ejecutoria más alta en calidad y velocidad. Tamaños pequeños aumenta la flexibilidad.

12. 12 Ley Moore Consecuencias adversas Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de esta potencia, también crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo. Solución: Reducción de energía con la utilización de multi-núcleos (Dual Core). Mas sistemas de enfriamientos. Otros.

13. 13 Arquitectura & Organización Arquitectura son aquellos atributos que son visibles para el programador y que tienen un impacto directo en la ejecución lógica del programa. Set de instrucciones, número de bits usados para representar data, mecanismos de I/O, técnicas de registros de direcciones. Ej: si hay alguna instrucción aritmética Organización es como esos atributos son implementados a través de sus unidades operacionales e interconexiones. Señales de control, interfaces, tecnología de memoria. ej si hay alguna unidad de hardware de multiplicación, o si es hecho por una suma repetitiva.

14. 14 Arquitectura & Organización La distinción entre arquitectura y organización es una muy importante. Diferentes modelos de computadora pueden diferir en su organización pero ser iguales en su arquitectura. Toda la familia Intel x86 en adelante comparten la misma arquitectura básica Todo familia IBM System/370 en adelante comparten la misma arquitectura básica. Esto nos dá compatibilidad en los códigos At least backwards

15. 15 Organización del M68HC11

16. 16 Microcomputadora basada en el 68HC11

17. 17 Puertos B y C Un puerto es una serie de pines en un chip por el cual información digital es transmitida tanto hacia el MPU como hacia fuera. En el caso del 68HC11 estos puertos se identifican con los nombres de MODA y MODB. Estos pines determinan su modo de operación. Cuando están en normal (MODA=MODB= 1) el puerto B actúa como salida para lo bits altos A8-A15 para el bus de dirección. Por otro lado el puerto C se utilizara para dos propósitos. En unos momentos se utilizara como salida para los bits bajos A0-A7 y en otros momentos como entrada para el MPU con los bits D0-D7.

18. 18 ¿Qué es un Bus? Un camino de comunicación para conectar dos o más dispositivos. Usualmente es de tipo “broadcast” (todos los dispositivos puede accederla). Usualmente agrupado: Un número de canales es un “bus” e.g. 32 bit de data bus es 32 canales separados de un bit (0 ó 1). Así, el Canal de Direcciones del Microprocesador puede "direccionar" más de 4 mil millones de combinaciones diferentes para el conjunto de 32 bits. Se clasifican en tres grupos: líneas de datos, dirección y de control. También hay líneas de poder.

19. 19 Esquema de la Interconexión del bús

20. 20 ¿Como son los buses? Líneas paralela en los “board” Cintas de cable “Ribbon cables” Conectores removibles del “mother boards” ej PCI Conjunto de cables

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22. 22 68HC11 Data Bus Lleva la data Entiende que no hay diferencia entre “data” y “instruction” en este nivel. El ancho es una parte determinante en el desempeño. Se le conoce como ancho de banda (Bus Width) 8, 16, 32, 64 bit Mientras mas ancho en menos ocasiones el procesador tendrá que acceder las memoria u otro dispositivo de entrada. Mueve los datos entre los dispositivos del hardware: como el teclado, el escáner, el ratón, Impresora, el Monitor o la tarjeta de Sonido, Disco Duro, el Disquete o la Memoria-Flash. Estas transferencias que se dan a través del Bus de Datos son gobernadas por varios dispositivos y métodos, de los cuales el Controlador PCI, "Peripheral Component Interconnect", Interconexión de componentes Periféricos, es uno de los principales el cual es como un semáforo. El 68HC11 utiliza el Puerto C (D0-D7) lo cual consiste de palabras de 8 bits.

23. 23 68HC11 Address bus Está vinculado al bloque de Control de la CPU para tomar y colocar datos en el Sub-sistema de Memoria durante la ejecución de los procesos de cómputo. Identifica el destino de la data e.g. CPU necesita leer una instrucción (data) de una localización dada de información. Típicamente son utilizadas para identificar las direcciones de los puertos de I/O. En un bus de 8 bit, las direcciones 01111111 o menos hacen referencia a localizaciones de memoria y direcciones 10000000 o mayor hacen referencia a equipos conectados a módulos I/O. El ancho del Bus determina la capacidad máxima de la memoria del sistema. ej. 8080 tiene 16 “bit address” bus dando 64k de espacio de “address”. (2 ^ 16 = 65,536) En el caso del 68HC11 el address bus consiste de 16 bit lo cual representa 65,536 posibles direcciones. El 68HC11 se conecta al address bus con los pines A0-A15 utilizando el Puerto C (A0-A7) y el Puerto B (A8-A15).

24. 24 68HC11 Control Bus Este controla el acceso a las líneas de datos y dirección ya que los módulos las comparten. Información de Control y sincronización. Señal de memoria read/write. Pedido de Interruptor. Señales de reloj. En el 68HC11 las señales son generadas por los siguientes pines: Read/Write (R/W):este determina la dirección en el data bus. Si R/W = 1 esta en lectura y R/W = 0 en escritura. Address Strobe (SB): este cuando esta activado permita un address bus externo de 8 bits. Esto lo hace en “high”. RESET: este cuando esta en “low” hace que el circuito regrese a su estado inicial. Normalmente esta en “high”. Interrupt Request (XIRQ, IRQ): estos e utilizaran cuando uno o mas dispositivos requieren la atención del MPU. Esto lo hace en “low”. Normalmente esta en “high”.

25. 25 Problemas del bús Muchos dispositivos en un bus nos lleva: Propagación en retrasos Las trayectorias de datos largos significan que la coordinación del uso del bús puede afectar al adversamente el funcionamiento ya que hay retrasos en la señal. El bus se puede convertir en un cuello de botella si la demanda en la transferencias de datos se acerca a la capacidad del bus. La mayoría de los sistemas utilizan los búses múltiples para superar estos problemas

26. 26 ISA Tradicional (con cache)

27. 27 Bús de alto rendimiento

28. 28 Tipos de Bus

29. 29 Tipos de Bus ISA (Industry Standard Architecture): este se utilizaba para conectar equipos como el ratón, tarjetas de sonido, tarjetas NIC y otros a baja velocidad. En la actualidad prácticamente se ha descontinuado su uso. PCI (Peripheral Component Interconnect): utilizado para tarjetas de video, sonido, SCSI (Small Computer System Interface) y otros a alta velocidad. Por lo menos es cuatro veces mas rápido que el ISA. AGP (Accelerated Graphics Port): usado especialmente para video provee interfase dedicado entre la tarjeta de video y la memoria. Estos buses son controlados por los siguientes chips: North Bridge (el más grande) provee apoyo y control para la memoria principal, el cache y los PCIs. South Bridge provee control para los periferales y los controladores que no son esenciales para las PCs.

30. 30 Tipos de Bus Tarjetas internas PCI-Express: sustituye tanto a PCI como a AGP como nuevo estándar. Llega a ser 32 veces más rápido que el PCI 2.1. VESA: utilizado sobre todo en equipos diseñados para el procesador Intel 80486. (Existencia efímera y sustituido por PCI). MCA (Micro Channel Architecture): bus de 32 bits y funcionaba con una frecuencia de reloj ligeramente más elevada, 10 MHZ, permitiendo una velocidad máxima de 20 MB/s. (propiedad de IBM y también de existencia efímera). AMR: el audio/módem rise, también conocido como AMR2 o AMR3 es un bus de expansión para dispositivos de audio o modems y presente en placas de Intel Pentium III, Intel Pentium IV y AMD Athlon. CNR(Communication and Networking Riser) es un bus de expansión en la placa madre para dispositivos como modems, tarjetas Lan o USB.

31. 31 Tipos de Bus Conexión exterior USB: Universal Serial Bus es un bus que sirve para conectar periféricos a una computadora. Fue creado en 1996 por siete empresas: IBM, Intel, Northern Telecom, Compaq, Microsoft, Digital Equipment Corporation y NEC. Se utiliza prácticamente para cualquier dispositivo. Firewire (IEEE 1394): es un bus estándar multiplataforma para entrada/salida de datos en serie a gran velocidad. Suele utilizarse para la interconexión de dispositivos digitales como cámaras digitales y videocámaras a computadoras. Almacenamiento PATA o IDE SATA SCSI SAS Sustituirá al SCSI paralelo

32. 32 Bús del PCI Significa Interconexión de Componentes Periféricos. Intel lo lanza al dominio publico en el 1990. Gracias a ello: Se crea una gran industria. Todas las versiones son compatibles. Bus de 32 o 64. 50 líneas.

33. 33 Líneas Requeridas del bús del PCI Líneas del sistema. Incluyendo el reloj y el reajuste (reset). Dirección y Datos. Son 32 líneas que son multiplexadas para address/data. Las otras líneas son para interpretar y validar las líneas de address/data. El Control de Interfase . Arbitraje. No compartido. Conexión directa al árbitro del bús del PCI. Líneas del error.

34. 34 Líneas Opcionales del bús del PCI Líneas de interrupción. No compartido. Ayuda del CACHE Extensión 64-bit del bús. 32 líneas adicionales. Tiempo multiplexado. 2 líneas para permitir a los dispositivos acordar utilizar transferencia 64-bit.

35. 35 Dedicado vs. Multiplexado Dedicado Es una línea que es permanentemente asignada a una función a un grupo especifico de componentes. Eg. Líneas separadas para los datos y de la dirección Multiplexado Líneas compartidas. Las direcciones y los datos comparten el mismo bus. Ventaja Pocas líneas, por lo tanto menos espacio. Desventajas Controles más complejos. Reducción en ejecutaría por falta de paralelismo.

36. 36 Arbitraje del bús Más de un módulo que controla el bús. e.g. el CPU y controlador dma. Solamente un módulo puede usar el bús de control temporalmente. El arbitraje puede ser centralizado o ser distribuido. Arbitraje Centralizado El acceso del bús es controlado por un dispositivo de hardware. A este se le conoce como: Controlador del bús. Árbitro. Puede ser parte del CPU o estar separado. Arbitraje Distribuido Cada módulo puede demandar el bús Lógica de control en todos los módulos permite que lo compartan entre si sin la necesidad de un controlador del bus.

37. 37 Sincronización Este termino se refiere a la coordinación de acontecimientos en el bús. Hay dos tipos: Síncrono Asíncrono Síncrono. Acontecimientos determinados por las señales del reloj. El bús de control incluye la línea del reloj. Un solo 1-0 es un ciclo del bús. Todos los dispositivos pueden leer la línea del reloj. Generalmente ocurre la sincronización en el borde principal. Generalmente un solo ciclo para un acontecimiento. Asíncrono. Los acontecimientos son determinados por los acontecimientos previos y no por las señales del reloj.

38. 38 Señales de Reloj El CPU utiliza un pequeño chip llamado sistema de reloj para sincronizar las operaciones de la computadora. La velocidad del reloj es la velocidad que tarda en ejecutar una instrucción. El prefijo utilizado para estos son los hertz lo cual significa ciclo por segundo. Los prefijos mas comunes son Mega (“M”, millones) y Giga (“G”, billones). Hoy día existen maquinas que pueden trabajar en los Tera (“T”, trillones). El 68HC11 utiliza un solo sistema de reloj llamado E-clock. Este puede ser usado tanto para funciones externas o internas. La frecuencia de la señal es determinado por los componentes externos conectados a los pines EXTAL y XTAL. Los componentes incluyen: Combinación de resistencias y capacitores. Un cristal de silicón (quartz). La frecuencia aplicada a los pines EXTAL y XTAL siempre es cuatro veces mayor a la del E-clock. Ejemplo: Cuando se requiere que la frecuencia del E-clock sea de 2MHz entonces el cristal de silicón en los pines de EXTAL y XTAL debe de ser de 8MHz.

39. 39 BIOS Basic Input/Output System Es una colección de programas (software) que se envuelven para el funcionamiento de las tareas relacionadas con el hardware. Las funciones básicas del BIOS son: Iniciar pc (boot pc) Verificar la configuración del hardware Proveer interfaz entre el software (OS) y el Hardware

40. 40 BIOS: Booting the PC Booting the PC: Es el proceso en el cual la computadora enciende y carga el sistema operativo. Mientras la computadora inicializa (boot) quien esta en el mando es el BIOS. Toda esta información que carga el BIOS está guardada en el CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Hoy día hay versiones como el HCMOS la cual le da mayor rapidez al sistema operativo gracias a su nuevo diseño. Este CMOS permite guardar la información durante años sin problemas a perderla. Se alimenta de una batería de muy bajo voltaje.

41. 41 BIOS Setup Program Access Keys AMI- Del Award- Del o Ctrl+Alt+Esc Compaq- F10 Dell- Del, F2, or Fn+F1 Gateway 2000- F1 Hewlett Packard- F1 IBM Aptiva- F1 Phoenix BIOS- F1 o F2

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