Arquitectura de Compadoras

UNIDAD III

CONTENIDO DE LA UNIDAD III

3.1 CHIP SET

El “chipset” es el conjunto (set) de chips que se encargan de controlar determinadas funciones del ordenador, como la forma en que interactúa el microprocesador con la memoria o la cache, o el control de los puertos y slots ISA, PCI, AGP, USB.

3.1.1 CPU

La unidad central de procesamiento o CPU o simplemente el procesador o microprocesador, es el componente en una computadora digital que interpreta las instrucciones y procesa los datos contenidos en los programas de la computadora. La CPU proporciona la característica fundamental de la computador digital (la programabilidad) y son uno de los componentes necesarios encontrados en las computadoras de cualquier tiempo, junto con el almacenamiento primario y los dispositivos de entrada/salida. Se conoce como microprocesador el CPU que es manufacturado con circuitos integrados. Desde mediados de los años 1970, los microprocesadores de un solo chip ha reemplazado casi totalmente todos los tipos de CPU, y hoy en día el termino “CPU” es aplicado usualmente a todos los microprocesadores. La expresión “unidad central de proceso” es, en términos generales, una descripción de una cierta clase de maquinas de lógica que pueden ejecutar complejos programas de computadoras. Esta amplia definición puede fácilmente ser aplicada a muchos de los primeros ordenadores que existieron mucho antes que el termino “CPU” estuviera en amplio uso. Sin embargo, el termino en si mismo y su acrónimo han estado en uso en la industria de la informática por lo menos desde el principio de los años 1960. La forma, el diseño y la implementación de las CPU han cambiado drásticamente desde los primeros ejemplos, pero su operación fundamental ha permanecido bastante similar. El CPU es el corazón del microprocesador, es el encargado de decodificar las instrucciones, hacer mas eficientes las operaciones aritméticas, y controlar algunas otras partes de la maquina. Cuneta con cuatro partes básicas. 1. Registros. 2. Unidad Aritmética y lógica. 3. Circuito de Temporización y control. 4. Circuito de decodificación.

3.1.2 Controlador del Bus

El bus es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de un ordenador o entre ordenadores. Están formados por cables o pistas en un circuito impreso, dispositivos como resistencias y condensadores además de circuitos integrados. En los primeros computadores electrónicos, todos los buses eran de tipo paralelo, de manera que la comunicación entre las partes de computador se hacia por medio de cintas o muchas pistas en el circuito impreso, en los cuales cada conductor tiene una función fija y la conexión es sencilla requiriendo únicamente puertos de entrada y de salida para cada dispositivo. La tendencia en los últimos años es el uso de buses seriales como el USB, Custom Fireware para comunicaciones con periféricos y el reemplazo de buses paralelos para conectar toda clase de dispositivo, incluyendo el microprocesador con el chipset en la propia placa base. Son conexiones con logia compleja que requieren en algunos casos gran poder de cómputo en los propios dispositivos, pero que poseen grandes ventajas frente al bus paralelo que es menos inteligente.

3.1.3 Puertos de E/S

Los puertos E/S son direcciones de memoria utilizados por el procesador para comunicación directa con un dispositivo que ha enviado una señal de interrupción al procesador. El intercambio de órdenes o datos entre procesador y dispositivo se hace a través de una dirección de puertos de E/S del dispositivo, que es un número hexadecimal. Dos dispositivos no pueden compartir el mismo puerto de E/S. muchos dispositivos usan múltiples direcciones de puertos de E/S, que se expresan como un rango de números hexadecimales. También abreviado E/S o I/O, es la colección de interfaces que usan distintas unidades funcionales (subsistemas) de un sistema de procesamiento de información para comunicaciones unas con otras, o las señales (información) enviadas a través de esas interfaces. Las entradas con las señales recibidas por la unidad, mientras que las salidas son las señales enviadas por esta. El término puede ser usado para describir una acción; “realizar una entrada/salida” se refiere a ejecutar una operación de entrada y salida. Los dispositivos de E/S los usa una persona u otro sistema para comunicarse con una computadora. De hecho, a los teclados y ratones se les considera dispositivos de entrada de una computadora, mientras que los monitores e impresora con vistos como dispositivos de salida de una computadora. Los dispositivos típicos para la comunicación entre computadoras realizan las dos operaciones, tanto entrada como salida, y entre otros se encuentran los módems y tarjetas de red.

3.1.4 Controlador de Interrupciones

Interrupcion (también conocida como interrupción hardware o petición de interrupción) es una señal recibida por el procesador de un ordenador, indicando que debe “interrumpir” el curso de ejecución actual y pasar a ejecutar código especifico para tratar esta situación. Una interrupción suspende la ejecución temporaria de un programa, para pasar a ejecutar una “subrutina de servicio de interrupción”, que pertenece al BIOS (Basic Input Output System). Las interrupciones surgen de las necesidades que tienen los dispositivos periféricos de enviar información al procesador principal de un sistema de computación. La primera técnica que se empleo fue que el propio procesador se encargara de sondear (polling) el dispositivo cada cierto tiempo para averiguar si tenia pendiente alguna comunicación para el. Este método presentaba el inconveniente de ser muy ineficiente, ya que el procesador constantemente consumía tiempo en realizar todas las instrucciones de sondeo. El mecanismo de interrupciones fue la solución que permitió al procesador desentenderse de esta problemática, y delegar en el dispositivo la responsabilidad de comunicarse con el procesador cuando lo necesitaba. El procesador, es este caso, no sondea a ningún dispositivo, sino que queda a la espera de que estos le avisen (le “interrumpan”) cuando tengan algo que comunicarle (ya sea un evento, una transferencia de información, una condición de error, etc).

Funcionamiento del mecanismo de interrupciones

Cada dispositivo que desea comunicarse con el procesador por interrupciones debe tener asignada una línea única capaz de avisar a este de que le requiere para una operación. Esta línea es la llamada IRQ (“Interrupt ReQuest”, petición de Interrupción). Las IRQ son las líneas que llegan al controlar de Interrupciones, un componente hardware dedicado a la gestión de la interrupciones, y que puede estar integrado en el procesador principal o ser un circuito separado conectado al procesador principal. El controlador de interrupciones debe ser capaz de habilitar o inhibir líneas de interrupción (operación llamada comúnmente enmascarar por la utilización de una mascara), y establecer prioridades entre lsa distintas interrupciones habilidades. Cuando varias líneas de petición de interrupciones se activan a la vez, el controlador de interrupciones utilizara estas prioridades para escoger la interrupción sobre la que informara al procesador principal. Sin embargo hay interrupciones que no se pueden enmascarar o deshabilitar, las conocidas como interrupciones no enmascaradas o NMI. Un procesador principal (sin controlador de interrupciones integrado) suele tener una única línea de interrupción llamada habitualmente INT. Esta línea es activada por el controlador de interrupciones cuando tiene una interrupción que servir. Al activarse esta línea, el procesador consulta los registros del controlador de interrupciones para averiguar que IRQ es la que ha de atender. A partir del numero de IRQ busca en el vector de interrupciones que rutina debe llamar para atender una petición del dispositivo asociado a dicha IRQ. Las rutinas de interrupción generalmente toman un pequeño tiempo de ejecución y la mayoría no pueden ser interrumpidas cuando se están atendiendo, por que al entrar en ellas se almacena el estado de los registros en una pila y si se interrumpen varias veces, la pila se puede desbordar.

3.1.5 Controlador de DMA

DMA (Direct Memory Access). La E/S con interrupciones, aunque mas eficiente que la E/S programada, también requiere la intervención del CPU para transferir datos entre la memoria y el modulo de E/S. consideren el siguiente ejemplo. Cuando se va a leer una línea desde un terminal, el primer carácter escrito es enviado al computador. cuando el carácter es recibido por el controlador, este interrumpe al CPU. El CPU le da servicio a la interrupción y luego continua con el proceso que estaba ejecutando. Esto es posible cuando el dispositivo es muy lento comparado con el CPU. Entre un carácter y otro el CPU lleva a cabo gran cantidad de procesamiento. Pero que sucede cuando estamos trabajando con dispositivos de E/S mas veloces? Tendriamos interrupciones muy seguidas y se estaría desperdiciando mucho tiempo. Para evitar esto, se utiliza DMA para dispositivos de E/S de alta velocidad. El controlador del dispositivo transfiere un bloque de datos desde o para sus buffers de almacenamiento a memoria directamente sin intervención del CPU. Solo se produce una interrupción por bloque en lugar de tener una interrupción por cada byte (o palabra). Por ejemplo, un programa solicita una transferencia de datos. El sistema de operación busca un buffer disponible. El controlador DMA tiene sus registros actualizados con las direcciones del fuente y del destino y la longitud de la transferencia. Por lo general esta actualización es realizada por el manejador de dispositivo (rutina). Se indica al controlador de DMA a través de bits de control en un registro de control para que inicie la operación de E/S. Mientras tanto el CPU puede llevar a cabo otras operaciones. El controlador de DMA interrumpe el CPU puede llevar a cabo otras operaciones. El controlador de DMA interrumpe el CPU cuando la transferencia ha sido terminada. El CPU interviene solo al comienzo y al final de la transferencia.

3.1.6 Circuito de temporizacion y control

Es una red secuencial que acepta un código que define la operación que se va a ejecutar y luego prosigue a través de una secuencia de estados, generando una correspondencia secuencia señales de control. Estas señales de control incluyen el control de lectura – escritura y señales de dirección de memoria valida en el bus de control del sistema. Otras señales generadas por el controlador se conectan a la unidad aritmética – lógica y a los registros internos del procesador para regular el flujo de información en el procesador y a y desde los buses de dirección y de datos del sistema.