Arquitectura de computadoras
La arquitectura
de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional
fundamental de un sistema de computadora.
Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones
de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en la
forma en que la unidad
central de proceso (UCP) trabaja internamente y accede a las
direcciones de memoria.
También
suele definirse como la forma de seleccionar e interconectar componentes de hardware para
crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad, rendimiento y
costo.
El ordenador
recibe y envía la información a través de los periféricos por
medio de los canales. La UCP es la encargada de procesar la información que le
llega al ordenador. El intercambio de información se tiene que hacer con los
periféricos y la UCP. Todas aquellas unidades de un sistema exceptuando la UCP
se denomina periférico, por lo que el ordenador tiene dos partes bien
diferenciadas, que son: la UCP (encargada de ejecutar programas y que está
compuesta por la memoria principal, la UAL y la UC) y los periféricos (que
pueden ser de entrada, salida, entrada-salida y comunicaciones).
Introducción
La implantación
de instrucciones es similar al uso de una serie de desmontaje en una fábrica de manufacturación.
En las cadenas de montaje, el producto pasa a través
de muchas etapas de producción antes de tener el producto
desarmado. Cada etapa o segmento de la cadena está especializada en un área
específica de la línea de producción y lleva a cabo siempre la misma actividad.
Esta tecnología es aplicada en el diseño de procesadores eficientes.
A estos
procesadores se les conoce como pipeline processors. Estos están compuestos por
una lista de segmentos lineales y secuenciales en donde cada segmento lleva a
cabo una tarea o un grupo de tareas computacionales. Los datos que provienen
del exterior se introducen en el sistema para ser procesados. La computadora
realiza operaciones con los datos que tiene almacenados enmemoria, produce nuevos datos o información
para uso externo.
Las
arquitecturas y los conjuntos de instrucciones se pueden clasificar
considerando los siguientes aspectos:
§ Almacenamiento
de operativos en la CPU:
dónde se ubican los operadores aparte de la substractora informativa (SI)
§ Número de
operandos explícitos por instrucción: cuántos operandos se expresan en forma
explícita en una instrucción típica. Normalmente son 0, 1, 2 y 3.
§ Posición del
operando: ¿Puede cualquier operando estar en memoria?, o deben estar algunos o
todos en los registros internos de la CPU. Cómo se especifica la dirección de
memoria (modos de direccionamiento disponibles).
§ Operaciones:
Qué operaciones están disponibles en el conjunto de instrucciones.
§ Tipo y tamaño
de operandos y cómo se especifican.
Almacenamiento de operandos en la CPU
Las
principales alternativas son:
§ Acumulador.
§ Conjunto de
registros.
§ Memoria
Características:
En una arquitectura de acumulador un operando está implícitamente en el
acumulador siempre leyendo e ingresando datos. (Ej.: calculadora Standard
-estándar-)
En la
arquitectura de pila no es necesario nombrar a los operandos ya que estos se
encuentran en el tope de la pila. (Ej.: calculadora de pila HP)
La
Arquitectura de registros tiene sólo operandos explícitos (es aquel que se
nombra) en registros o memoria.
Ventajas de las arquitecturas
§ Pila: Modelo
sencillo para evaluación de expresiones (notación polaca inversa). Instrucciones
cortas pueden dar una buena densidad de código.
§ Acumulador:
Instrucciones cortas. Minimiza estados internos de la máquina (unidad de
control sencilla).
§ Registro:
Modelo más general para el código de instrucciones parecidas. Automatiza
generación de código y la reutilización de operandos. Reduce el tráfico a
memoria. Una computadora actualmente tiene como estándar 32 registros. El
acceso a los datos es más rápido.
Desventajas de las
arquitecturas
§ Pila: A una
pila no se puede acceder aleatoriamente. Esta limitación hace difícil generar
código eficiente. También dificulta una implementación eficiente, ya que la
pila llega a ser un cuello de botella es decir que existe dificultad para la
transferencia de datos en su velocidad mk.
§ Acumulador:
Como el acumulador es solamente almacenamiento temporal, el tráfico de memoria
es el más alto en esta aproximación.
§ Registro:
Todos los operadores deben ser nombrados, conduciendo a instrucciones más
largas.
TARJETA MADRE
Placa base formato MicroATX para PC de sobremesa (desnuda, sin ningún
componente enchufado).
La placa base,
también conocida como placa madre o tarjeta madre (del inglés motherboard o mainboard)
es una tarjeta de circuito impreso a la que se conectan los
componentes que constituyen la computadora u
ordenador. Es una parte fundamental a la hora de armar una PC de escritorio o portátil. Tiene
instalados una serie de circuitos integrados, entre los que se
encuentra el chipset, que sirve como centro de
conexión entre el microprocesador, la memoria de acceso aleatorio (RAM),
las ranuras de expansión y otros dispositivos.
Va instalada dentro de una caja o gabinete que por lo general está hecha
de chapa y tiene un panel para conectar dispositivos externos y muchos
conectores internos y zócalos para instalar componentes dentro de la caja.
La placa base, además, incluye un firmware llamado BIOS, que le permite
realizar las funcionalidades básicas, como pruebas de los dispositivos, vídeo y
manejo del teclado, reconocimiento de dispositivos y
carga del sistema operativo.
Componentes
de la placa base
Una placa base típica admite los siguientes componentes:
§ Uno o varios conectores de alimentación: por
estos conectores, una alimentación eléctrica proporciona a la placa base los
diferentes voltajes e intensidades necesarios para su funcionamiento.
§ El zócalo de CPU es
un receptáculo que recibe el microprocesador y lo conecta con el resto de
componentes a través de la placa base.
§ Las ranuras de memoria RAM, en número de 2 a 6 en las
placas base comunes.
§ El chipset:
una serie de circuitos electrónicos, que gestionan las
transferencias de datos entre los diferentes componentes de la computadora
(procesador, memoria, tarjeta
gráfica,unidad de almacenamiento secundario,
etc.).
Se divide en dos secciones, el puente norte (northbridge)
y el puente sur (southbridge).
El primero gestiona la interconexión entre elmicroprocesador,
la memoria RAM y la unidad de procesamiento gráfico;
y el segundo entre los periféricos y los dispositivos de almacenamiento, como
los discos duros o
las unidades de disco óptico. Las nuevas
líneas de procesadores de escritorio tienden a integrar el propio controlador
de memoria en el interior del procesador además de que estas tardan en
dregadarse aproximadamente de 100 a 200 años.
§ El reloj: regula la velocidad de ejecución de
las instrucciones del microprocesador y
de los periféricos internos.
§ La CMOS:
una pequeña memoria que preserva cierta información importante (como la
configuración del equipo, fecha y hora), mientras el equipo no está alimentado
por electricidad.
§ La pila de la CMOS: proporciona la
electricidad necesaria para operar el circuito constantemente y que éste último
no se apague perdiendo la serie de configuraciones guardadas.
§ La BIOS: un programa registrado en una memoria no volátil (antiguamente en
memorias ROM, pero desde hace tiempo se empleanmemorias
flash). Este programa es específico de la placa base y se encarga de
la interfaz de bajo nivel entre el microprocesador y
algunosperiféricos. Recupera, y después ejecuta,
las instrucciones del MBR (Master Boot Record), o registradas en un disco duro o SSD, cuando arranca el
sistema operativo. Actualmente los ordenadores modernos sustituyen el MBR por
el GPT y la BIOS por Extensible Firmware Interface.
§ El bus (también llamado bus interno o en
inglés front-side bus'): conecta el microprocesador al chipset,
está cayendo en desuso frente a HyperTransport y Quickpath.
§ El bus de memoria conecta el chipset a
la memoria temporal.
§ El bus de expansión (también llamado bus I/O):
une el microprocesador a los conectores entrada/salida y a las ranuras de
expansión.
§ Los conectores de entrada/salida que cumplen
normalmente con la norma PC 99: estos conectores incluyen:
§ Los puertos PS2 para
conectar el teclado o el ratón, estas interfaces tienden a desaparecer a favor
del USB
§ Los puertos serie,
por ejemplo para conectar dispositivos antiguos.
§ Los puertos
paralelos, por ejemplo para la conexión de antiguas impresoras.
§ Los puertos USB (en inglés Universal
Serial Bus), por ejemplo para conectar periféricos recientes.
§ Los conectores RJ45, para conectarse a
una red informática.
§ Los conectores VGA, DVI, HDMI o Displayport para
la conexión del monitor de la computadora.
§ Los conectores IDE o Serial ATA,
para conectar dispositivos de almacenamiento, tales como discos duros, unidades de estado sólido y unidades de disco óptico.
§ Los conectores de audio, para conectar
dispositivos de audio, tales como altavoces o micrófonos.
§ Las ranuras de expansión: se trata de
receptáculos que pueden acoger tarjetas de expansión (estas tarjetas
se utilizan para agregar características o aumentar el rendimiento de un
ordenador; por ejemplo, un tarjeta
gráfica se puede añadir a un ordenador para mejorar el
rendimiento 3D). Estos puertos pueden ser puertos ISA (interfaz
antigua), PCI (en inglés Peripheral
Component Interconnect), AGP (en
inglés Accelerated Graphics Port) y, los más recientes, PCI Express.
Con la evolución de las computadoras, más y más características se han
integrado en la placa base, tales como circuitos electrónicos para la gestión
del vídeo IGP (en inglés Integrated
Graphic Processor), de sonido o de redes (10/100 Mbps/1 Gbps), evitando así
la adición de tarjetas de expansión.
Tipos
de bus
Los buses son espacios físicos que permiten el
transporte de información y energía entre dos puntos de la computadora.
Los buses generales son los siguientes:
§ Bus de datos: son las líneas de comunicación por donde
circulan los datos externos e internos del microprocesador.
§ Bus de dirección: línea de comunicación por donde viaja la
información específica sobre la localización de la dirección de memoria del
dato o dispositivo al que se hace referencia.
§ Bus de control: línea de comunicación por donde se
controla el intercambio de información con un módulo de la unidad central y los
periféricos.
§ Bus de expansión: conjunto de líneas de comunicación
encargado de llevar el bus de datos, el bus de dirección y el de control a la
tarjeta de interfaz (entrada, salida) que se agrega a la tarjeta principal.
§ Bus del sistema: todos los componentes de la CPU se
vinculan a través del bus de sistema, mediante distintos tipos de datos el
microprocesador y la memoria principal, que también involucra a la memoria
caché de nivel 2. La velocidad de transferencia del bus de sistema está
determinada por la frecuencia del bus y el ancho del mínimo.
Placa
multiprocesador
Una placa con dos procesadores.
Este tipo de placa base puede acoger a varios procesadores (generalmente
de 2, 4, 8 o más). Estas placas base multiprocesador tienen varios zócalos de
microprocesador, lo que les permite conectar varios
microprocesadores físicamente distintos (a diferencia de los de procesador de doble núcleo).
Cuando hay dos procesadores en una placa base, hay dos formas de
manejarlos:
§ El modo asimétrico, donde a cada procesador se le asigna una tarea
diferente. Este método no acelera el tratamiento, pero puede asignar una tarea
a una unidad central de procesamiento,
mientras que la otra lleva a cabo a una tarea diferente.
§ El modo simétrico, llamado multiprocesamiento simétrico, donde cada
tarea se distribuye de forma simétrica entre los dos procesadores.
Linux fue el primer sistema operativo en
gestionar la arquitectura de doble procesador en x86.[cita requerida] Sin
embargo, la gestión de varios procesadores existía ya antes en otras
plataformas y otros sistemas
operativos. Linux 2.6.x maneja multiprocesadores simétricos,
y las arquitecturas de memoria no uniformemente distribuida
Algunos fabricantes proveen placas base que pueden acoger hasta 8
procesadores (en el caso de socket 939 para procesadores AMD
Opteron y sobresocket 604 para procesadores Intel Xeon).
Tipos
La mayoría de las placas de PC vendidas después de 2001 se pueden
clasificar en dos grupos:
§ Las placas base para procesadores AMD
§ Las placas base para procesadores Intel
§ Socket 775: Pentium 4, Celeron, Pentium D (doble
núcleo), Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core 2 Extreme, Xeon
Formatos
Las tarjetas madre necesitan tener dimensiones compatibles con las cajas
que las contienen, de manera que desde los primeros computadores personales se
han establecido características mecánicas, llamadas factor de
forma. Definen la distribución de diversos componentes y las
dimensiones físicas, como por ejemplo el largo y ancho de la tarjeta, la
posición de agujeros de sujeción y las características de los conectores.
Con los años, varias normas se fueron imponiendo:
§ XT: es el formato de la placa base del PC
de IBM modelo 5160, lanzado en 1983. En este factor de forma se definió un
tamaño exactamente igual al de una hoja de papel tamaño carta y un único
conector externo para el teclado.
§ Baby AT: 216 × 330 mm
§ AT:
uno de los formatos más grandes de toda la historia del PC (305 × 279–330 mm),
definió un conector de potencia formado por dos partes. Fue usado de manera
extensa de 1985 a 1995.
§ MicroATX: 244 × 244 mm
§ FlexATX: 229 × 191 mm
§ MiniATX: 284 × 208 mm
§ ATX: creado por un grupo liderado por Intel, en 1995 introdujo
las conexiones exteriores en la forma de un panel I/O y definió un conector de
20 pines para la energía. Se usa en la actualidad en la forma de algunas
variantes, que incluyen conectores de energía extra o reducciones en el tamaño.
§ MiniITX: 170 × 170 mm
§ NanoITX: 120 × 120 mm
§ PicoITX: 100 × 72 mm
§ ITX:
con rasgos procedentes de las especificaciones microATX y FlexATX de Intel, el
diseño de VIA se centra en la integración en placa base del mayor número
posible de componentes, además de la inclusión del hardware gráfico en el
propio chipset del equipo, siendo innecesaria la instalación de una tarjeta
gráfica en la ranura AGP.
§ 2005 [BTX] 325 × 267 mm (Intel)
§ Micro bTX: 264 × 267 mm
§ PicoBTX: 203 × 267 mm
§ RegularBTX: 325 × 267 mm
§ BTX: retirada en muy poco tiempo por la falta de aceptación,
resultó prácticamente incompatible con ATX, salvo en la fuente de alimentación.
Fue creada para intentar solventar los problemas de ruido y refrigeración, como
evolución de la ATX.
§ Mini-DTX: 170 × 203 mm
§ Full-DTX: 243 × 203 mm
§ DTX: destinadas a PCs de pequeño formato.
Hacen uso de un conector de energía de 24 pines y de un conector adicional de
2x2.
§ Formato propietario: durante la existencia del
PC, mucha marcas han intentado mantener un esquema cerrado de hardware,
fabricando tarjetas madre incompatibles físicamente con los factores de forma
con dimensiones, distribución de elementos o conectores que son atípicos. Entre
las marcas más persistentes está Dell, que rara vez fabrica
equipos diseñados con factores de forma de la industria.
Fabricantes
Varios fabricantes se reparten el mercado de placas base, tales como Abit, Albatron, Aopen, ASUS, ASRock, Biostar, Chaintech, Dell, DFI, ECS EliteGroup, Epox, Foxconn, Gigabyte Technology,Intel, MSI, QDI, Sapphire Technology, Soltek, Super Micro, Tyan, VIA, XFX, Pc Chips, Zotac.
Algunos diseñan y fabrican uno o más componentes de la placa base,
mientras que otros ensamblan los componentes que terceros han diseñado y
fabricado.
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