Arquitectura de computadoras

Una visión típica de una arquitectura de computadora como una serie de capas de abstracción: hardware, firmware,ensamblador, kernel, sistema operativo yaplicaciones.

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).

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.

es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_computadoras

El concepto de arquitectura en el entorno informático proporciona una descripción de la construcción y distribución física de los componentes de la computadora.

La arquitectura de una computadora explica la situación de sus componentes y permite determinar las posibilidades de que un sistema informático, con una determinada configuración, pueda realizar las operaciones para las que se va a utilizar.

Cualquier usuario que desee adquirir un sistema informático, tanto si es una gran empresa como un particular, debe responder a una serie de preguntas previas: ¿qué se desea realizar con el nuevo sistema informático? ¿Cuáles son los objetivos a conseguir? ¿Qué software será el más adecuado para conseguir los objetivos marcados? ¿Qué impacto va a suponer en la organización (laboral o personal) la introducción del nuevo sistema informático?

Finalmente, cuando se haya respondido a estas preguntas, el usuario tendrá una idea aproximada de los objetivos que han de cumplir los diferentes sistemas informáticos a evaluar.

En la actualidad es muy familiar el aspecto exterior de una computadora o, por lo menos, de una microcomputadoraName=g8; HotwordStyle=BookDefault; , pero se ha de advertir que, salvando las diferencias de tamaño y la posibilidad de teleproceso (manejo del sistema informático a grandes distancias a través de líneas de comunicaciones de diferentes tipos), en general, los sistemas informáticos se dividen físicamente en la unidad central del sistema y los periféricos que permiten conectarlo al mundo exterior.

La Unidad Central del Sistema es un habitáculo en forma de caja donde se sitúa el «cerebro» de la computadora, esto es, la unidad central de proceso (CPU), así como los distintos componentes que van a ayudar al sistema informático en sus operaciones habituales (bus, memorias, fuentes de alimentación eléctrica, etcétera).

La unidad central de proceso se compone de:

• Una Unidad de Control que manejará los diferentes componentes del sistema informático así como los datos a utilizar en los diferentes procesos.

• Una Unidad Aritmético-Lógica que realizará las diferentes operaciones de cálculo en las que la computadora basa su funcionamiento.

• Unos Registros del Sistema que sirven como área de trabajo interna a la unidad central de proceso.

La unidad central de proceso se conecta a una serie de memorias que le sirven como soporte para el manejo de los datos y programas que se han de utilizar mientras se encuentre operativa.

Las diferentes memorias del sistema informático (Random Access Memory o RAM y Read Only Memory o ROM) son componentes fundamentales de la computadora ya que van a ser, en el caso de la RAM, el área de trabajo donde el microprocesador va a realizar las diferentes operaciones en que se van a descomponer los procesos solicitados por el usuario, mientras que la ROM va a servir para ayudar a la computadora a realizar las diferentes operaciones de arranque del sistema informático previas a que el sistema operativo tome el control de las diferentes tareas a realizar.

La unidad central de proceso y las memorias se conectan entre ellas por medio del bus. El bus es un enlace de comunicaciones que conecta todos los componentes que configuran el sistema informático y permite la transferencia de información entre ellos. Esta información se compone de datos y órdenes de comandos para manipular los datos. Existen varias tecnologías de diseño y construcción de buses entre las que se pueden distinguir las arquitecturas ISA, EISA y MCA que se verán más adelante.

Otros componentes que se conectan al bus son los puertos de conexión de los diferentes periféricos asociados a la unidad central del sistema de la computadora y que van a permitir configurar el sistema informático para una serie diferente de operaciones funcionales que siempre han de cubrir las necesidades del usuario.

Es evidente que la configuración de un sistema informático ha de realizarse en función de los objetivos operativos que vaya a cubrir la citada computadora. Así, un sistema informático que se va a dedicar exclusivamente a CAD/CAM (diseño asistido por computadora) no tendrá una configuración similar a la de una computadora que va a dedicarse a controlar los diferentes enlaces de comunicaciones que componen una redinformática.

Los diferentes periféricos que se pueden conectar a un sistema informático se dividen en cuatro grupos principales:

• Periféricos de Entrada de Información.

• Periféricos de Almacenamiento de Información.

• Periféricos de Salida de Información.

• Periféricos de Comunicaciones.

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ARQUITECTURA DE UN COMPUTADOR

La disciplina dedicada a la construcción, estudio y aplicación de los computadores recibe el nombre de Arquitectura de Computadores y puede ser dividida en cinco partes fundamentales: entrada y salida, comunicaciones, control, procesamiento y almacenamiento. Esta es de interés tanto para los ingenieros en electrónica y computación, dedicados al diseño de hardware, como para los científicos en computación e ingenieros de software, dedicados al diseño de programas. Asimismo, la arquitectura de computadores es un concepto que integra software, hardware, algoritmos y lenguajes de programación para el procesamiento de datos y la generación de información.

El hardware son todos los componentes físicos que forman parte o interactúan con la computadora. áreas: 

Componentes básicos internos:
Algunos de los componentes que se encuentran dentro del gabinete o carcaza de la computadora 
-Placa Madre: toda computadora cuenta con una placa madre, pieza fundamental de una computadora, encargada de intercomunicar todas las demás placas, periféricos y otros componentes entre sí.
-Microprocesador: ubicado en el corazón de la placa madre, es el "cerebro" de la computadora. Lógicamente es llamado CPU.
-Memoria: la memoria RAM, donde se guarda la información que está siendo usada en el momento. También cuenta con memoria ROM, donde se almacena la BIOS y la configuración más básica de la computadora. 
-Fuente eléctrica: para proveer de energía a la computadora. 
-Puertos de comunicación: USB, puerto serial, puerto paralelo, para la conexión con periféricos externos 

catedraprogramacion.foroactivos.net/t28-definicion-de-computador-.

MI PROPIA DEFINICION:

Es un diseño estructurada y fundamental de un sistema de computadora, es una descripción de la construccion y distribucion fisíca de los componentes de la computadora. Explica la situación de los componentes y permite determinar las posibilidades de que un sistema informatico pueda realizar las funciones adecuadas al usuario.

1.4. Interrupciones de Hardware.

Las interrupciones hardware son producidas por varias fuentes, por ejemplo del teclado, cada vez que se presiona una tecla y se suelta se genera una interrupción.

Otras interrupciones son originadas por el reloj, la impresora, el puerto serie, el disco, etcétera. Una interrupción de tipo hardware es una señal eléctrica producida por un dispositivo físico del ordenador. Esta señal informa a la CPU que el dispositivo requiere su

atención. La CPU parará el proceso que está ejecutando para atender la interrupción. Cuando la interrupción termina, la CPU reanuda la ejecución en donde fue interrumpida, pudiendo ejecutar el proceso parado originalmente o bien otro proceso.

Existe un hardware específico, para que los dispositivos puedan interrumpir lo que está haciendo la CPU. La propia CPU, tiene entradas específicas para ser interrumpida INT, cuando se activa esta entrada INT, la CPU para lo que está haciendo y activa la salida para reconocer la interrupción INTA, y comienza a ejecutar el código especial que maneja la interrupción. Algunas CPU´s disponen de un conjunto especial de registros, que solo son utilizados en el modo de ejecución de interrupciones, lo que facilita el trabajo de tratar las interrupciones.

La placa base del computador utiliza un controlador para decodificar las interrupciones que no son mas que señales eléctricas producidas por los dispositivos, coloca en el bus de datos información de que dispositivo interrumpió y activa la entrada INT de interrupción de la CPU. Este chip controlador protege a la

CPU y la aísla de los dispositivos que interrumpen, además de proporcionar flexibilidad al diseño del sistema. El controlador de interrupciones tiene un registro de estado para permitir o inhibir las interrupciones en el sistema.

Existe diverso hardware para implementar un controlador de interrupciones, los computadores IBM PC o compatibles, utilizan el controlador de interrupciones programable de Intel 82C59A-2 Cmos o sus chips compatibles. Este controlador ha sido utilizado desde los comienzos del IBM PC, y es bien conocido el espacio de direccionamiento de sus registros en la arquitectura ISA. Incluso en chips más modernos se ha mantenido la misma localización.

Interrupciones hardware en Linux.

Una de las principales tareas del sistema de manejo de interrupciones es llevar las diferentes interrupciones a los códigos de manejo de esas interrupciones.

Cuando se activa el contacto 6 del controlador de interrupciones, se debe reconocer cual es la interrupción asociada a ese contacto, por ejemplo el controlador del dispositivo disquete, por lo tanto el sistema de manejo de interrupciones debe encaminar a la rutina que trata esta interrupción, para ello Linux proporciona un conjunto de estructuras de datos y tablas, y un conjunto de funciones que las inicializan y las manejan.

El sistema de interrupciones

Estructuras de datos para soportar el sistema de interrupciones hardware

Estudiaremos las estructuras de datos del sistema de interrupciones:

irqaction almacena la dirección de la función de manejo de interrupciones.

irq_chip contiene las funciones que manejan un controlador de interrupciones

particular, es dependiente de la arquitectura.

irq_desc vector con una entrada para cada una de las interrupciones que pueden

ser atendidas.

Interrupción (también conocida como interrupción de 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 específico para tratar esta situación.

Una interrupción es una suspensión temporal de la ejecución de un proceso, para pasar a ejecutar una subrutina de servicio de interrupción, la cual, por lo general, no forma parte del programa (generalmente perteneciente al sistema operativo, o al BIOS). Luego de finalizada dicha subrutina, se reanuda la ejecución del programa.

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 empleó fue que el propio procesador se encargara de sondear (polling) los dispositivos cada cierto tiempo para averiguar si tenía pendiente alguna comunicación para él. 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 necesitara. El procesador, en 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 medio de interrupciones debe tener asignada una línea única capaz de avisar al CPU que le requiere para una operación. Esta línea es la llamada IRQ ("Interrupt ReQuest", petición de interrupción).

Las IRQ son líneas que llegan al controlador de interrupciones un componente de hardware dedicado a la gestión de las 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 máscara), y establecer prioridades entre las distintas interrupciones habilitadas. Cuando varias líneas de petición de interrupción se activan a la vez, el controlador de interrupciones utilizará estas prioridades para escoger la interrupción sobre la que informará al procesador principal. También puede darse el caso de que una rutina de tratamiento de interrupción sea interrumpida para realizar otra rutina de tratamiento de una interrupción de mayor prioridad a la que se estaba ejecutando.Sin embargo hay interrupciones que no se pueden enmascarar o deshabilitar, las conocidas como interrupciones no enmascarables o NMI.

Un procesador principal que no tenga un 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 cual IRQ hay que atender. A partir del número del IRQ busca en la tabla de vectores de interrupción la dirección de la rutina que debe llamar para atender una petición del dispositivo asociado a dicha IRQ.

Las rutinas de interrupción generalmente toman un pequeño tiempo de ejecución.

Pasos para el procesamiento de una IRQ:

1. Terminar la ejecución de la instrucción de máquina en curso.
2. Salva el valor de contador de programa, IP, en la pila, de manera que en la CPU, al terminar el proceso, pueda seguir ejecutando el programa a partir de la última instrucción.
3. La CPU salta a la dirección donde está almacenada la rutina de servicio de interrupción (Interrupt Service Routine (ISR)) y ejecuta esa rutina que tiene como objetivo atender al dispositivo que generó la interrupción.
4. Una vez que la rutina de la interrupción termina, el procesador restaura el estado que había guardado en la pila en el paso 2 y retorna al programa que se estaba usando anteriormente.

Tipos de interrupciones

En este subapartado vamos a hacer una clasificación de las distintas clases de interrupciones que nos podemos encontrar atendiendo a la fuente que las produce. Por un lado distinguiremos si se producen por causas internas o externas al procesador y remarcaremos que este hecho está íntimamente ligado con que las interrupciones sean síncronas o asíncronas:

• Interrupciones de hardware. Estas son asíncronas a la ejecución del procesador, es decir, se pueden producir en cualquier momento independientemente de lo que esté haciendo el CPU en ese momento. Las causas que lo producen son externas al procesador y a menudo suelen estar ligadas con distintos dispositivos de E/S.
• Traps. Normalmente son causadas al realizarse operaciones no permitidas tales como la división por 0, el desbordamiento, el acceso a una posición de memoria no permitida, etc.
• Interrupciones por software. Las interrupciones por software son generadas por el programa en ejecución. Para generarla, existen distintas instrucciones en el código máquina que permiten al programador producir una interrupción, suelen tener nemotécnicos tales como INT. Suelen ser de vital importancia ya que a partir de estas interrupciones se solicita al sistema operativo realizar determinadas funciones, para ello. Por ejemplo, en DOS se realiza la instrucción INT 0x21 y en Unix se utiliza INT 0x80 para hacer llamadas de sistema.

Interrupción no enmascarable

Una interrupción no enmascarable (o NMI) es un tipo especial de interrupción usada en la mayoría de los microordenadores como el IBM PC y el Apple II.

Una interrupción no enmascarable causa que la CPU deje lo que está haciendo, cambie el puntero de instrucción para que apunte a una dirección particular y continúe ejecutando el código de esa dirección. Se diferencia de los otros tipos de interrupción en que los programadores no pueden hacer que la CPU las ignore, aunque algunos ordenadores pueden por medios externos bloquear esa señal, dando un efecto similar al resto de las interrupciones.

Usos

Al no poderse desactivar son empleadas por dispositivos para los que el tiempo de respuesta es crítico, como por ejemplo el coprocesador matemático Intel 8087 en el IBM PC, el indicador de batería baja, o un error de paridad que ocurra en la memoria.

En algunos ordenadores Clónicos las interrupciones no emascarables se usaban para manejar las diferencias entre su hardware y el original de IBM. Así, si se intentaba acceder a uno de estos dispositivos se lanzaba una NMI y el BIOS ejecutaba el código para el hardware presente en esa máquina.

También se podían lanzar NMI por el usuario, permitiendo interrumpir el programa actual para permitir la depuración. En este caso al lanzarse una NMI se suspendía la ejecución del programa actual y el control se transfería a un depurador para que el programador pudiera inspeccionar el estado de la memoria, los registros, etc. Estas NMI eran lanzadas de diferentes maneras, como pulsando un botón, por medio de una combinación de teclas o por medio de un programa.

En juegos, se producía una NMI y se interrumpía el juego, de esta manera se podían conseguir vidas extras por ejemplo modificando el área de memoria donde se guardaban las vidas restantes.

https://prezi.com/user/l-ucsle_cs2_/

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Cuestionario

¿Qué son las Interrupciones de Hardware?

R= Las interrupciones hardware son producidas por varias fuentes, por ejemplo del teclado, cada vez que se presiona una tecla y se suelta se genera una interrupción.

¿Cuál es la estructura de datos para soportar el sistema de interrupciones hardware?

R= almacena la dirección de la función de manejo de interrupciones, contiene las funciones que manejan un controlador de interrupciones particular, es dependiente de la arquitectura vector con una entrada para cada una de las interrupciones que pueden

ser atendidas, vector con una entrada para cada una de las interrupciones que pueden

ser atendidas

¿Cuál es el funcionamiento del mecanismo de interrupciones?

R= Cada dispositivo que desea comunicarse con el procesador por medio de interrupciones debe tener asignada una línea única capaz de avisar al CPU que le requiere para una operación.

¿Qué es Interrupción no enmascarable?

R= es un tipo especial de interrupción usada en la mayoría de los microordenadores como el IBM PC y el Apple II, Una interrupción no enmascarable causa que la CPU deje lo que está haciendo.

Uso de Interrupción no enmascarable:

R= Al no poderse desactivar son empleadas por dispositivos para los que el tiempo de respuesta es crítico, como por ejemplo el coprocesador matemático Intel 8087 en el IBM PC, el indicador de batería baja, o un error de paridad que ocurra en la memoria.