Arquitectura del computador (página 2)

Los sistemas operativos controlan diferentes procesos de
la computadora. Un proceso importante es la interpretación
de los comandos que permiten al usuario comunicarse con el
ordenador (textual y gráfico). Todos los sistemas
operativos modernos son multitarea y pueden ejecutar varios
procesos simultáneamente. En la mayoría de los
ordenadores sólo hay una UCP; un sistema operativo
multitarea crea la ilusión de que varios procesos se
ejecutan simultáneamente en la UCP. El mecanismo que se
emplea más a menudo para lograr esta ilusión es la
multitarea por segmentación de tiempos, en la que cada
proceso se ejecuta individualmente durante un periodo de tiempo
determinado. Si el proceso no finaliza en el tiempo asignado, se
suspende y se ejecuta otro proceso. El sistema operativo se
encarga de controlar el estado de los procesos suspendidos.
También cuenta con un mecanismo llamado planificador que
determina el siguiente proceso que debe ejecutarse. El
planificador ejecuta los procesos basándose en su
prioridad para minimizar el retraso percibido por el usuario. Los
procesos parecen efectuarse simultáneamente por la alta
velocidad del cambio de contexto. Los sistemas operativos pueden
emplear memoria virtual para ejecutar procesos que exigen
más memoria principal de la realmente disponible. Con esta
técnica se emplea espacio en el disco duro para simular la
memoria adicional necesaria. Sin embargo, el acceso al disco duro
requiere más tiempo que el acceso a la memoria principal,
por lo que el funcionamiento del ordenador resulta más
lento.

• CONCLUSIONES

• Un Sistema Operativo es un programa grande y
  complejo que está compuesto, por una serie de
  componentes con funciones bien definidas ,así mismo
  podemos decir que el centro de un sistema operativo es el
  núcleo o Kernel, capa más cercana al hardware,
  encargada de gestionar los recursos hardware del sistema y
  suministra la funcionalidad básica del S:O.

• Podemos decir que el sistema operativo realiza una
  serie de funciones que gestionan el funcionamiento del
  hardware y sobre el que se apoya el resto del software,
  conformando un entorno integrado de trabajo para el usuario y
  cuyo objetivo es simplificar el manejo y la
  utilización de la computadora, haciéndolo
  seguro y eficiente , así mismo el SO debe llevar la
  cuenta acerca de quién está usando qué
  recursos; otorgar recursos a quienes lo solicitan(siempre que
  el solicitante tenga derechos adecuados sobre el recurso); y
  arbitrar en caso de solicitudes conflictivas.

• El funcionamiento del sistema operativo esta
  determinado por la planificación de tareas o procesos
  y por la gestión de memoria, en la
  planificación de procesos el sistema operativo
  determina que proceso debe ejecutarse en cada momento, en la
  mayoría de los sistemas operativos actuales
  implementan la memoria virtual, ocultando al usuario detalles
  de la implementación particular y creando la
  ilusión de existencia de recursos ilimitados (o
  abundantes).

• Estas instrucciones del sistema operativo llevan a
  cabo tareas como habilitar y deshabilitar interrupciones,
  acceder a los registros usados por el hardware de
  protección de memoria, entre otras tareas, las
  también instrucciones de control pueden ejecutarse
  cuando el procesador esta en estado privilegiado esta
  ejecutando programa de zona privilegiada de
  memoria.

T7:

Unidad central de
procesamiento

• ESTRUCTURA

• Esquema

ESQUEMA N°1

ESQUEMA N°2

ESQUEMA N°3

Registro acumulador

• Descripción del Esquema N°
  1

En el primer esquema tenemos una vista general de los
elementos que conforman la CPU. Para realizar las operaciones
descritas cualquier CPU dispone de un conjunto de bloques
funcionales, los cuales según el esquema vemos que se
conectan entre sí a través de un bus interno, cuya
descripción de cada bloque lo detallaremos en el esquema
N°3.

• Descripción del Esquema N° 2 y
  3

Todos los datos proceden de cualquier periférico
o unidad de almacenamiento de computador. Empezando a realizar su
trabajo la ALU la cual se encarga de realizar las operaciones
aritméticas para ello dispone de un circuito combinacional
que realizan las operaciones y un conjunto de registros en los
que se almacenan tanto los operadores como los resultados de los
mismos. De todos los registros que emplea la ALU existe uno
denominado registro acumulador, que suele estar implicado
en la mayoría de las operaciones aritméticas y
lógicas como fuente y destino, este registro es de
carácter específico para la CPU.

Otro elemento que conforma la CPU es la Unidad de
Control, la cual se encarga de la captura y la
decodificación de las instrucciones a ejecutar, siendo
esta la más importante de los elementos del CPU. Por otra
parte tenemos la Memoria principal, es el lugar en el que
se almacenan los datos y resultados de cualquier proceso. Esta
memoria está estructurada en celdas, en cada una de las
cuales entra una unidad específica de información,
según su posición la memoria almacena datos o
instrucciones.

Junto con el conjunto de módulos de memoria,
existe un elemento clave de un computador, nos estamos refiriendo
al Modulo de Entrada/Salida, cada modulo se conecta al bus
del sistemas o aun conmutador central y controla uno o más
dispositivos periféricos, pero no solo tiene esa
función, sino que además está dotado de
cierta inteligencia, es decir, contiene la lógica
necesaria para permitir la comunicación entre
periféricos y el bus.

• FUNCIONES

• Función de transferencia de
  datos

Calcula la dirección de memoria basándose
en el modo de direccionamiento utilizado, esta dirección
hace referencia a memoria virtual, en esta situación
traduce la dirección virtual a reala la vez determinar si
el elemento direccionado está en la cache, sino cursar la
orden al modulo de memoria.

• Función Aritmética

Proporciona las operaciones aritméticas
básicas de suma, resta, multiplicación y
división. Esta operación implica operaciones de
transferencia de datos para ubicar los operandos como entradas a
la ALU, y almacenar la salida de la ALU.

• Función Lógica

Realiza operaciones lógicas, realiza la
comparación lógica de dos o más operandos.

• Función Conversión

Son aquellas funciones que cambian el formato u operan
sobre el formato de los datos, por ejemplo la conversión
de decimal a binario.

• Función Control de flujo

Actualiza el contador del programa. En el caso de
llamadas y retornos de subrutinas, gestiona la transferencia y
enlace de parámetros.

• Función Entrada/Salida

Durante un breve intervalo la CPU verifica todos los
módulos de entrada y registra el estado activo/inactivo de
los dispositivos de control, luego la CPU decide que salidas
deben activarse. Mientras el programa el usuario se está
ejecutando, estas decisiones se almacenan en una sección
de la memoria reservada para este propósito.

• REPERTORIO DE INSTRUCCIONES

• Operación transferencia de
  datos

Permite el movimiento entre distintos
dispositivos de almacenamiento del computador

• Instrucciones
  aritméticas

Trans. Una palabra desde un origen a la
cabecera de la pila. Se necesita especificar el tipo de
operación (suma, resta, multiplicación o
división), tipo de aritmética (con signo, sin
signo, entera, punto flotante, etc.); el tamaño de datos
sobre los que se opera y por último la dirección de
operandos fuente y destino.

• Instrucciones
  lógicas

Permite realizar operaciones lógicas
bit a bit, entre los operandos o manipular un bit del operando.
Para esto es necesario especificar el tipo de operación,
el tamaño de datos sobre el que se opera dirección
de operación y el número de bit en las
instrucciones de manipulación de bit. A
continuación presentamos las instrucciones lógicas
que se realizan en el proceso:

• Instrucciones del control de
  flujo

Permite romper la secuencia normal de
ejecución y saltar a una determinada dirección
especificada en la instrucción.

• Instrucciones de E/S

• Instrucciones de
  conversión

• FUNCIONAMIENTO

Como ya se menciono anterior mente las instrucciones de
cada una de las operaciones que realiza el computador ahora
veremos cómo se interrelacionan cada una de estas
operación y hacen efectivo el repertorio de instrucciones
en cada proceso de la CPU.

• Se empieza por buscar una instrucción en la
  memoria, para ello la unidad de control proporciona a la
  memoria la dirección donde se encuentra la
  instrucción y la orden de lectura necesaria. La
  dirección de la instrucción que se va a
  ejecutar se encuentra en un registro denominado contador de
  programa el cual apuntara la dirección de memoria
  donde se encuentra la instrucción que va a ejecutarse.
  A esta fase se la conoce como fase de
  búsqueda.

• Una vez leída la instrucción debe
  analizarse (decodificarse) para saber que operaciones hay que
  realizar y generara las señales de control oportunas.
  En algunos diseños de la Unidad de Control, las
  señales se generan en barios ciclos de reloj, por lo
  que es necesario que durante ese tiempo la instrucción
  que se está ejecutando permanezca almacenada en un
  registro interno, que recibe el nombre de registro de
  instrucción.

• La operación que deba realizarse implicara a
  uno o barios operandos que podrán estar previamente
  almacenados en los registros internos de la CPU o en memoria.
  Según su ubicación la Unidad de Control genera
  las órdenes oportunas para activar las salidas de los
  registros o para iniciar una o barias operaciones. En esta
  parte del funcionamiento de hace una búsqueda de
  operandos.

• Una vez que se conoce la operación que
  realiza la instrucción y se dispone de los operandos
  solo queda realizar la operación. Esta fase se conoce
  como fase de ejecución e implica en la mayoría
  de las veces la intervención de la Unidad
  Aritmético Lógica (ALU).

• Una vez que la ejecución de la
  instrucción ha producido un resultado, estos se
  almacenan en la memoria o en alguno de los registros
  internos. En esta etapa el computador realiza lo que se llama
  almacenamiento de resultados.

• Una vez finalizada la ejecución de la
  instrucción, contador de programa debe incrementarse
  para pasar a apuntar a la siguiente instrucción. Sin
  embargo, esta tarea no se realiza al final sino en la etapa
  de búsqueda, por lo que una vez se haya buscado una
  instrucción el contador de programa pasa
  inmediatamente a apuntar a la siguiente instrucción a
  ejecutarse.

• CONCLUSIONES

• La unidad central de proceso es una compleja
  estructura como se apreció en su esquema y cada uno de
  sus elementos está íntegramente relacionados
  entre ellos, avilantando problemas en la recepción,
  almacenamiento y transferencia de datos.

• En cada una de las funciones que tiene la CPU,
  tienes una relación con las operaciones que realiza ya
  sea, en la transferencia de datos, operaciones lógicas
  y aritméticas, en los registros, en las memorias y los
  dispositivos de E/S.

• El funcionamiento de la CPU está determinado
  por las instrucciones que ejecuta, estas instrucciones
  están ordenadas de acuerdo a la operación que
  sea necesaria ejecutar. Al conjunto de instrucciones que
  puede ejecutar la UCP se le denomina repertorio de
  instrucciones.

• Todos los datos procedentes de cualquier
  periférico o unidad de almacenamiento del PC llegan a
  la memoria. El microprocesador entonces se capaz de leer la
  información contenida en estas direcciones de memoria.
  La CPU simplemente procesa los datos y las vuelve a guardar a
  la Memoria y el destino gracias a su conexión
  física con el procesador será capaz de leer de
  nuevo del bus de datos la posición de memoria
  deseada.

T8:

Unidad de
control

• ESTRUCTURA

• Esquema

Bus de Datos

ESQUEMA N° 1

ESQUEMA N° 2

• Descripción del Esquema N°
  1

La Unidad de Control recibe entradas del reloj, del
registro de instrucción, y de los indicadores. En cada
ciclo de reloj, la unidad de control lee todas sus entradas y
emite un conjunto de señales de control que van a
través de una serie de buses que llevan y traen datos
hacia tres destinos distintos: Camino de Datos, ALU y Bus del
Sistema.

La Unidad de Control usa los pulsos del reloj para
temporizar la secuencia de eventos, dejando un tiempo entre
evento y evento hasta que se estabilicen las
señales.

• Descripción del Esquema N°
  2

El código del ciclo de instrucción se
encarga de realizar el ciclo de interrupción en el cual
establece la interrupción para luego proceder a realizar
el ciclo de captación, encargándose este ultimo de
captar la instrucción y si se realiza un direccionamiento
indirecto procederá a realizar el ciclo indirecto en el
cual se encargara de leer la dirección de la
instrucción, pero si no realiza el direccionamiento
indirecto realizara el ciclo de ejecución,
encargándose este ultimo de realizar un código de
operación para ejecutar las instrucciones pero si se
produce una interrupción habilitada realizara el ciclo de
interrupción, pero si no se produce una
interrupción habilitada se procederá ha realizar
nuevamente el ciclo de captación.

Al final de cada uno de los cuatro ciclos. El ICC se
actualiza convenientemente. El ciclo indirecto siempre viene
seguido del ciclo de ejecución. El ciclo de
interrupción siempre es seguido por el ciclo de
captación.

• FUNCIONES

• La unidad de control se encarga de decodificar los
  códigos de operación y los modos de
  direccionamiento de las instrucciones actuando de forma
  diferente para cada uno de ellos.

• La unidad de control se encarga de la
  temporización de las distintas operaciones necesarias
  para la ejecución de cada instrucción,
  controlando el secuenciamiento de las instrucciones en
  función de la evolución del registro contador
  de programa.

• REPERTORIO DE INSTRUCCIONES

• La unidad de control realiza el ciclo de
  instrucción que consiste en alternar las actividades
  de captación y ejecución de instrucciones.
  Después de que una instrucción sea captada, es
  examinada para determinar si incluye algún
  direccionamiento indirecto si es así, los operandos
  requeridos se captan usando direccionamiento indirecto. Tras
  la ejecución se puede procesar una interrupción
  antes de la captación de la siguiente
  instrucción.

• La unidad de control es del tipo microprogramado y
  de ella forma parte: el contador de microprograma, la memoria
  de microprogramas, el registro de microinstrucciones y un
  multiplexor de señales externo. El contador de
  microprograma indica a través de mpc que
  microinstrucción se ejecutara durante el
  próximo ciclo del reloj interno. Este contador
  direcciona a una memoria donde reside el microprograma, cuyo
  secuenciamiento viene determinado por la búsqueda de
  instrucción. El registro de macroinstrucción
  guarda durante un ciclo de reloj una microinstrucción,
  sus señales de salida se agrupan en cuatro campos: el
  primero que controla la señal de condición
  externa, la cual es introducida en el contador de
  microprograma a través del mux; y el segundo que
  proporciona la dirección de la próxima
  microinstrucción en el caso de producirse un salto en
  el microprograma.

• FUNCIONAMIENTO

La unidad de control sigue la dirección de las
posiciones en memoria que contiene la instrucción que la
computadora va a realizar en ese momento; recupera la
información poniéndola en la ALU para la
operación que debe desarrollar. Transfiere luego el
resultado a ubicaciones apropiadas en la memoria. Una vez que
ocurre lo anterior, la unidad de control va a la siguiente
instrucción (normalmente situada en la siguiente
posición, a menos que la instrucción sea una
instrucción de salto, informando a la computadora de que
la próxima instrucción estará ubicada en
otra posición de la memoria).

• CONCLUSIONES

• La unidad de control no emite todas las ordenes a la
  vez, sino que sigue una determinada secuencia utilizando un
  reloj que se encargara de sincronizar las acciones de la
  unidad de control y que indica el instante en que debe
  ejecutar una determinada fase de la instrucción;
  cuanto más rápido marque el tiempo, más
  rápida será la ejecución de la
  instrucción. Sin embargo, hay un límite, ya
  que, si marca excesivamente rápido, es posible que no
  puedan cumplir adecuadamente las órdenes de los
  diferentes elementos, por lo que se producirán
  errores.

• La función principal de la unidad de control
  de la UCP es dirigir la secuencia de pasos de modo que la
  computadora lleve a cabo un ciclo completo de
  ejecución de una instrucción, y hacer esto con
  todas las instrucciones de que conste el programa.

• Los diversos repertorios de instrucciones utilizan
  una gran variedad de ciclos de instrucción como son de
  la unidad de control: El ciclo indirecto, captación,
  interrupción y ejecución.

• Existen dos tipos de unidades de control, las
  cableadas, usadas generalmente en máquinas sencillas,
  y las micro programadas, propias de máquinas
  más complejas. En el primer caso, los componentes
  principales son el circuito de lógica secuencial, el
  de control de estado, el de lógica combinacional y el
  de emisión de reconocimiento de señales de
  control. En el segundo caso, la microprogramación de
  la unidad de control se encuentra almacenada en una micro
  memoria, a la cual se accede de manera secuencial para
  posteriormente ir ejecutando cada una de las
  microinstrucciones.

Autor:

Juan Palomino Ulfe