Resumen

Arquitectura de computadoras

Los circuitos lógicos se estudian principalmente porque se usan en las computadoras digitales; realizan operaciones con señales digitales y casi siempre se implementan como circuitos electrónicos donde los valores de la señal se restringen a algunos valores discretos.

Diseño lógico

Una unidad procesadora es aquella parte de un sistema digital o un computador digital que configura las operaciones en el sistema. Está compuesta por un número de registros y de funciones digitales que conforman micro-operaciones aritméticas, lógicas, de desplazamiento y trasferencia. La unidad de proceso se llama una unidad central de proceso o CPU, cuando se combina con una unidad de control que supervisa la secuencia de micro-operaciones.

Organización del procesador

La organización de una computadora se define mediante sus registros internos, la estructura de temporización y control y la secuencia de microoperaciones que ejecuta sobre los datos almacenados son sus registros es decir que la arquitectura de una computadora es el conjunto de registros e instrucciones que debe conocer un programador para utilizarla.

Tomando en cuenta que  la mayoría todavía utilizan la arquitectura von Neumann, propuesta a principios de los años 1940 por John von Neumann. La arquitectura de von Neumann describe un computador con 4 secciones principales:

- Unidad lógica y aritmética (ALU).

- Unidad de control.

- Memoria.

- Dispositivos de entrada y salida (E/S).

Unidad aritmética lógica: Realiza cálculos, comparaciones y toma decisiones lógicas (determina si una preposición es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole) por una serie de registros donde se almacena información temporalmente y por una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones.

Unidad de control: Controla el funcionamiento de la CPU y por tanto del computador.




Memoria: Es una secuencia de celdas de almacenamiento numeradas donde cada una es un bit o unidad de información que encarga de guardar las instrucciones del programa y datos.



Dispositivos de E/S: Es el que utiliza la computadora para ingresar datos y luego de ser procesados por la CPU, genera la salida de información.

El procesador

Es un circuito integrado que contiene todos los elementos de la CPU. Este es el cerebro del computador.
Dependiendo del tipo de procesador y su velocidad se obtendrá un mejor o peor rendimiento.

Existen tres marcas de procesadores: AMD, Cyrix e Intel. La velocidad de los procesadores se mide en Megahertz (MHz =Millones de ciclos por segundo).

Cabe destacar que los procesadores de Intel son más caros y tienen una unidad de punto flotante (FPU) más robusta que AMD y Cyrix. Esto hace que Intel tenga procesadores que funcionen mejor en 3D (Tercera dimensión), AutoCAD, juegos y todo tipo de programas que utilizan esta característica. Para programas de oficina como Word, Wordperfect, entre otros. AMD y Cyrix funcionan muy bien.





-Unidad Central de Proceso o CPU: Se puede definir como un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los ordenadores. Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. Ademas se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus el cual conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento, sabiendo que el bus es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de una computadora o entre varias computadoras. Está formado por cables o pistas en un circuitos impreso, dispositivos como resistores y condensadores además de circuitos integrados. entre los buses se pueden encontrar:

-Bus de datos: Mueve los datos entre los dispositivos del hardware de Entrada como el teclado, el escáner, el ratón, entre otros y de salida como la Impresora, el Monitor o la tarjeta de Sonido, y de Almacenamiento como el Disco Duro, el Disquete o la Memoria-Flash.

- Bus de direcciones : Está vinculado al bloque de Control de la CPU para tomar y colocar datos en la memoria durante la ejecución de los procesos de cómputo.

- Bus de control: Transporta señales de estado de las operaciones efectuadas por la CPU con las demás unidades.

- Memoria caché: Forma parte de la tarjeta madre y del procesador y se utiliza para acceder rápidamente a la información que utiliza el procesador. Existen cache primario (L1) y cache secundario (L2). El cache primario esta definido por el procesador y no lo podemos quitar o poner. En cambio el cache secundario se puede añadir a la tarjeta madre. La regla de mano es que si se tienen 8 Megabytes (Mb) de memoria RAM se debe tener 128 Kilobytes (Kb) de cache. Si se tiene 16 Mb son 256 Kb y si se tiene 32 Mb son 512 Kb. Parece que en adelante no se observa mucha mejoría al ir aumentando el tamaño del cache. Los Pentium II tienen el cache secundario incluido en el procesador y este es normalmente de 512 Kb.

- Unidad de punto flotante (UFP): también conocido como coprocesador matemático, es un componente de la unidad central de procesamiento especializado en el cálculo de operaciones en coma flotante. Las operaciones básicas que toda FPU puede realizar son la suma y multiplicación usuales, si bien algunos sistemas más complejos son capaces también de realizar cálculos trigonometricos o exponenciales.

Compuertas lógicas

¿Qué es Electrónica Digital?

Es una ciencia que estudia las señales eléctricas, pero en este caso son señales discretas, es decir, están bien identificadas, razón por la cual a un determinado nivel de tensión se lo llama estado alto (High) o Uno lógico; y a otro, estado bajo (Low) o Cero lógico.

Suponer que las señales eléctricas con que trabaja un sistema digital son 0V y 5V. Es obvio que 5V será el estado alto o Uno lógico, aunque también habrá que tener en cuenta que existe la Lógica Positiva y la Lógica Negativa, veamos cada una de ellas.

Lógica Positiva

En esta notación al 1 lógico le corresponde el nivel más alto de tensión (positivo, si quieres llamarlo así) y al 0 lógico el nivel mas bajo (que bien podría ser negativo), pero que ocurre cuando la señal no está bien definida...?. Entonces habrá que conocer cuales son los límites para cada tipo de señal (conocido como tensión de histéresis), en este gráfico se puede ver con mayor claridad cada estado lógico y su nivel de tensión.

Lógica Negativa

Aquí ocurre todo lo contrario, es decir, se representa al estado "1" con los niveles más bajos de tensión y al "0" con los niveles más altos.

Por lo general se suele trabajar con lógica positiva, y así lo haremos en este tutorial, la forma más sencilla de representar estos estados es como se puede ver en el siguiente gráfico.

De ahora en más ya sabrás a que nos referimos con estados lógicos 1 y 0, de todos modos no viene nada mal saber un poco más.

Compuertas Lógicas

Las compuertas lógicas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos mencionados en la página anterior y funcionan igual que una calculadora, de un lado ingresas los datos, ésta realiza una operación, y finalmente, te muestra el resultado.

Cada una de las compuertas lógicas se las representa mediante un Símbolo, y la operación que realiza (Operación lógica) se corresponde con una tabla, llamada Tabla de Verdad, vamos con la primera...

Compuerta NOT

Se trata de un inversor, es decir, invierte el dato de entrada, por ejemplo; si pones su entrada a 1 (nivel alto) obtendrás en su salida un 0 (o nivel bajo), y viceversa. Esta compuerta dispone de una sola entrada. Su operación lógica es s igual a a invertida

Compuerta AND

Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto entre ambas, no es un producto aritmético, aunque en este caso coincidan.
*Observa que su salida será alta si sus dos entradas están a nivel alto*

Compuerta OR

Al igual que la anterior posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas... Bueno, todo va bien hasta que 1 + 1 = 1, el tema es que se trata de una compuerta O Inclusiva es como a y/o b
*Es decir, basta que una de ellas sea 1 para que su salida sea también 1*

Compuerta OR-EX o XOR

Es OR EXclusiva en este caso con dos entradas (puede tener mas, claro...!) y lo que hará con ellas será una suma lógica entre a por b invertida y a invertida por b.
*Al ser O Exclusiva su salida será 1 si una y sólo una de sus entradas es 1*

Compuertas Lógicas Combinadas

Al agregar una compuerta NOT a cada una de las compuertas anteriores, los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas llamadas NAND, NOR y NOR-EX... Veamos ahora como son y cual es el símbolo que las representa...

Compuerta NAND

Responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo a la salida de la compuerta AND.

Compuerta NOR

El resultado que se obtiene a la salida de esta compuerta resulta de la inversión de la operación lógica o inclusiva es como un no a y/o b. Igual que antes, solo agregas un círculo a la compuerta OR y ya tienes una NOR.

Compuerta NOR-EX

Es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad, que bien podrías compararla con la anterior y notar la diferencia, el símbolo que la representa lo tienes en el siguiente gráfico.

Buffer's

Ya la estaba dejando de lado..., no se si viene bien incluirla aquí pero de todos modos es bueno que la conozcas, en realidad no realiza ninguna operación lógica, su finalidad es amplificar un poco la señal (o refrescarla si se puede decir). Como puedes ver en el siguiente gráfico, la señal de salida es la misma que de entrada.

CIRCUITOS DIGITALES CON MEMORIA
Enlace (de terceros) que redirige a un archivo PDF con toda la información citada en el título.

Rendimiento de computadoras Ley de Moore: La ley de Moore habla sobre una particular tendencia a largo plazo en la historia del hardware. Esta plantea que el número de transistores que puede colocarse dentro de un chip de silicio (a bajo costo), se dobla aproximadamente cada dos años.
El término fue acuñado por el profesor de Caltech Carver Mead en honor al co fundador de Intel Gordon E. Moore quien introdujo el concepto en un paper en 1965.
Esta ley describe los eventos tecnológicos de los finales del siglo 20 y principio del siglo 21. Se piensa que esta tendencia se mantenga hasta el 2015 o tal vez un poco más.
La capacidad de cada componente de un computador se ve afectada por la Ley de Moore. Generalmente estos aumentos son exponenciales.  Procesador: Velocidad de procesamiento. Memoria: Capacidad de almacenamiento.
Sin embargo, en términos de procesadores, no siempre el crecimiento de transistores se traduce en un incremento directo de rendimiento. Particularmente, en los procesadores multicore, las aplicaciones seriales no se ejecutan sustancialmente más rápido. Hay muchos casos donde un incremento de un 45% en el número de transistores sólo se traduce entre 10 y 20% de rendimiento.

Ley de Amdahl:


La ley de Amdahl es un modelo matemático que describe la relación entre la aceleración esperada de la implementación paralela de un algoritmo y la implementación serial del mismo algoritmo.

Técnicamente la ley de Amdahl trata sobre la aceleración S que se puede alcanzar a partir de las modificaciones (mejoras) de una porción P de un cálculo. 1/((1-P)+P/S)
Por ejemplo, si se realiza una mejora del 30% en el tiempo de ejecución del cálculo, entonces la porción modificada (mejorada) será 0.3 y si la porción modificada se ejecuta el doble de rápido, entonces la aceleración será igual a 2.

Esta fórmula se deriva de lo siguiente:
Asumamos que el tiempo que toma el cálculo original es 1 (para una unidad de tiempo cualquiera).

Esta fórmula se deriva de lo siguiente:
El tiempo que toma el nuevo cálculo es igual al tiempo que toma la ejecución de la porción no modificada (1 -P) más el tiempo que toma la ejecución de la porción modificada.

Esta fórmula se deriva de lo siguiente:
El tiempo que toma la ejecución de la porción modificada es igual al tiempo que le tomaba
originalmente dividida por la aceleración. P/S

Si se considera el número de procesadores (N) en la relación, tendremos S=1/((1−P)+P/N)

Si consideramos el rendimiento que se obtiene cuando se agregan más procesadores a una
máquina, La ley de Amdahl puede fusionarse con la ley de disminución del rendimiento y cada vez que se dobla el número de procesadores, la aceleración disminuye.

INSTRUCCIONES MIPS

La información de las instrucciones MIPS está detallada en el PDF del título.

Bibliografía:

http://blogarquitecturadelcomputador7n1is.blogspot.com/2015/05/diseno-logico-de-procesadores_7.html

http://r-luis.xbot.es/edigital/

http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/gilberto/paralela/05_LeyDeAmdahlYMoore.pdf

https://previa.uclm.es/profesorado/licesio/Docencia/ETC/21_MIPS-Introduccion-itis.pdf

http://www2.elo.utfsm.cl/~lsb/elo311/aplicaciones/spim/repertorio.pdf