FH · UT01

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Arquitectura de Von Neumann

La idea es el programa almacenado: las instrucciones y los datos se guardan juntos en la misma memoria, y los dos en binario. Antes, en máquinas como el ENIAC, el programa estaba cableado y para cambiar de tarea había que recablear el equipo. Con el programa en memoria, cambiar de tarea es cargar otro programa, y por eso un ordenador es una máquina de propósito general.

Tu portátil usa el mismo hardware para el navegador, un juego o Word. Lo único que cambia es el programa que hay en memoria.
AñoQué pasó
1945Von Neumann escribe el informe del EDVAC, donde propone el programa almacenado.
1949Se entrega el EDVAC, el primero construido con esta arquitectura. Funciona desde 1951.
1951UNIVAC I, el primero comercial. Lo compró la Oficina del Censo de EE. UU.

Las partes

Esquema de Von Neumann: memoria principal, CPU con UC, UAL y registros, entrada/salida, periféricos y buses
El esquema de la diapositiva 17. Puede caer como pregunta de imagen.
ParteQué hace
UC (unidad de control)Lee la siguiente instrucción, averigua cuál es y genera las señales para que el resto la ejecute.
UAL (ALU)Hace las operaciones aritméticas (+ − × ÷) y lógicas (AND, OR, NOT, XOR).
RegistrosMemorias diminutas y muy rápidas dentro de la CPU. El CP (contador de programa) guarda la dirección de la siguiente instrucción.
Memoria principalCeldas del mismo tamaño, cada una con una dirección de 0 a N−1. Guarda instrucciones y datos. Se puede leer y escribir.
Entrada/SalidaConecta con los periféricos: unidades de comunicación (teclado, pantalla, impresora, red) y memorias auxiliares (discos, USB, tarjetas).
BusesLos cables compartidos por los que se comunican las demás partes.
La CPU son la UC, la UAL y los registros. La memoria principal no forma parte de la CPU.

Los tres buses

BusLlevaSentido
DireccionesEl número de la celda a la que se quiere accederSolo hacia la memoria
DatosEl contenido que se lee o se escribe (datos e instrucciones)En los dos sentidos
ControlÓrdenes: leer, escribir, reloj, E/SSegún la línea
Es como pedir un libro en una biblioteca. Por el bus de direcciones dices el número de estantería ("la 5"). Por el bus de control dices qué quieres hacer ("quiero leer"). Por el bus de datos te llega el libro, o lo devuelves si estás escribiendo.

Con un bus de direcciones de m bits se pueden señalar 2m celdas. Con 32 bits son unos 4 GB.

No todos los buses son bidireccionales. El de direcciones solo va hacia la memoria: la CPU dice qué celda quiere, y la memoria nunca le manda direcciones de vuelta.

Pregunta de desarrollo

La arquitectura de Von Neumann, propuesta en 1945 en el informe del EDVAC, se basa en el programa almacenado: las instrucciones y los datos se guardan juntos en la misma memoria principal y en binario. Antes, en máquinas como el ENIAC, cambiar de programa obligaba a recablear el equipo. El primer ordenador con esta arquitectura fue el EDVAC (1949) y el primero comercial el UNIVAC I (1951).

El ordenador tiene cuatro partes. La CPU ejecuta las instrucciones y está formada por la unidad de control, que lee cada instrucción, la identifica y genera las señales para el resto; la unidad aritmético-lógica, que hace las operaciones aritméticas y lógicas; y los registros, entre ellos el contador de programa, que apunta a la siguiente instrucción. La memoria principal se divide en celdas con una dirección cada una y permite leer y escribir. La unidad de entrada/salida comunica el ordenador con los periféricos.

Las partes se comunican por tres buses: el de datos, bidireccional; el de direcciones, que va solo hacia la memoria; y el de control, con las señales de lectura, escritura y reloj. Cada instrucción se ejecuta en dos fases. En la búsqueda, la dirección del contador de programa va a la memoria, la instrucción se copia al registro de instrucción y el contador se incrementa. En la ejecución, la unidad de control la decodifica y se realiza. Esta arquitectura la siguen casi todos los ordenadores actuales, del PC al móvil.

Acompáñala del esquema de arriba dibujado a mano.

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El ciclo de instrucción

La CPU repite siempre dos fases. La búsqueda trae la siguiente instrucción de memoria a la CPU, y es igual para todas. La ejecución hace lo que dice la instrucción, y cambia según cuál sea.

Abajo hay una CPU con un programa de 4 instrucciones en las celdas 0 a 3, y dos datos (3 y 4) en las celdas 5 y 6. El programa suma 3 + 4 y guarda el resultado en la celda 7.

CeldaContieneSignifica
0LOAD 5Copia en el acumulador (AC) el número de la celda 5
1ADD 6Suma al AC el número de la celda 6
2STORE 7Guarda el AC en la celda 7
3HALTPara

CPU

CP · contador de programa (dirección de la siguiente instrucción)0
RI · registro de instrucción (la que se ejecuta)—
AC · acumulador de la UAL (resultados)0

Memoria

RD · qué celda leer o escribir—
RM · lo leído o lo que se va a escribir—
Direcciones
Datos
Control
de dónde salea dónde llegabus usado

La búsqueda tiene siempre estos cuatro pasos:

  1. El CP se copia al RD por el bus de direcciones.
  2. El bus de control da la orden de leer y la memoria deja en el RM el contenido de esa celda.
  3. El RM pasa al RI por el bus de datos.
  4. El CP se incrementa en 1.

La ejecución empieza con el decodificador de la UC reconociendo la instrucción, y después hace los movimientos que haga falta.

El CP guarda una dirección, no una instrucción. La instrucción está en el RI.
El RD solo recibe direcciones y el RM solo recibe contenido. Es fácil confundirlos.
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Biestable, registro y memoria

Un biestable guarda 1 bit. Un registro son varios biestables que se cargan a la vez. Una memoria son muchos registros de la misma longitud.

Biestable

Tiene dos estados estables, 0 y 1, y mantiene el suyo aunque desaparezca la señal que lo puso. Funciona de forma síncrona: la entrada prepara el valor, pero no se guarda hasta que llega la señal de carga.

Funciona como una cámara. Lo que tienes delante (la entrada) puede cambiar todo lo que quiera, pero la foto (la salida) solo cambia cuando pulsas el disparador (la carga).
Entrada
BIESTABLE
Salida
0
Cambia la entrada a 1: la salida sigue en 0 hasta que pulses Carga.

Además tiene señales para ponerlo a 0, ponerlo a 1 o darle la vuelta (complemento).

Registro

Su longitud es el número de bits que guarda, numerados de 0 a n−1. Se le pueden hacer cuatro operaciones: puesta a 0, puesta a 1, complemento y desplazamiento. Hay tres desplazamientos, y la diferencia es qué entra por el hueco que queda.

DesplazamientoQué entra por el hueco
LógicoUn 0. Lo que sale por el otro lado se pierde.
CircularEl bit que sale por el otro lado. No se pierde nada.
AritméticoEl bit de signo (el primero) se queda fijo, para que un negativo siga siendo negativo.
00000011 es 3. Un desplazamiento lógico a la izquierda da 00000110, que es 6. Desplazar a la izquierda multiplica por 2 y a la derecha divide entre 2, igual que en decimal añadir un cero al final multiplica por 10.

Varios registros con una entrada y una salida comunes forman una batería de registros. SelE elige en cuál se escribe y SelS de cuál se lee, por su número.

Memoria

Una memoria es una batería de registros enorme. El número que elige cada registro es su dirección, de 0 a N−1. Por ser tan grande, es más lenta que un registro.

Unidades: 1 byte = 8 bits, y kB, MB, GB y TB van de 1024 en 1024. Por ejemplo, 8 GB = 8192 MB.

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Operadores

Un operador es el circuito que hace una operación aritmética o lógica. La UAL está hecha de ellos. Se clasifican de tres formas, y cada operador tiene una etiqueta de cada una.

SegúnTipos
Cómo trata los bitsParalelo: todos a la vez (lo normal). Serie: uno a uno, con registros de desplazamiento.
Cuántos operandosMonádico: uno (NOT). Diádico: dos (suma, AND).
Qué haceGeneral: varias operaciones, elegidas con señales de control. Especializado: una sola clase, más rápido.
Sumar dos números de 4 bits en paralelo es un paso. En serie son 4 pasos, uno por bit, arrastrando el acarreo. Un procesador actual usa operadores paralelos, diádicos y generales.
A
B
=

Puedes tocar los bits de A y B.

OperaciónDa 1 cuando…Nombre
ANDlos dos son 1producto lógico
ORal menos uno es 1suma lógica
XORson distintosO exclusivo
NOTel bit era 0negación
NOT usa un solo operando, así que es monádico. AND, OR y XOR son diádicos.

Las aritméticas típicas son cambio de signo, suma, resta, multiplicación y división.

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Enlaces, buses y señales

Para pasar un dato de n bits entre dos piezas hace falta un enlace de n líneas. Si una pieza puede recibir de varias, necesita además señales de selección para saber de cuál toma el dato.

Un enlace bidireccional son dos enlaces, uno por sentido, cada uno con sus señales de control. No es el mismo cable usado al revés.

Con muchas piezas no se puede poner un enlace por cada pareja, así que se usa un bus: un camino común al que se conectan todas. Las señales SEOn eligen qué pieza escribe en el bus en cada momento. El destino no se selecciona, porque pueden leer varias piezas a la vez.

Un bus es como una reunión con un solo micrófono. SEOn decide quién tiene el micrófono, y todos los demás pueden escuchar a la vez.

Señales de nivel y de pulso

El secuenciador de la UC activa las señales al ritmo del reloj. Se diferencian por cuánto duran.

RelojNivelPulso activa todo un periodo un instante
NivelPulso
DuraciónTodo un periodo de relojUn instante
Se usa paraSeleccionar el bus (SEOn) y gobernar el operador y la memoria, que necesitan tiempo para trabajarCargar un registro en el momento exacto
Una señal de nivel es como mantener una puerta abierta mientras pasa la gente: tiene que durar todo el rato. Una de pulso es como el flash de una cámara: marca un momento exacto.
"Las señales de pulso duran todo un periodo" es falso. Esas son las de nivel.
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UAL, UC y E/S por dentro

UAL

UAL con dos registros de operandos, registro de estado y registro de resultado, conectada al bus de datos y al bus de control

Los dos operandos entran por el bus de datos a dos registros auxiliares, el operador calcula, el resultado sale al acumulador y el registro de estado anota cómo fue la operación.

PiezaQué es
OPEREl operador: diádico, paralelo y general. Se programa con las señales OP.
RO1 y RO2Registros con los dos operandos. El usuario no los ve.
ACAcumulador, donde queda el resultado.
IRIndicadores de resultado (por ejemplo, si dio cero o negativo). Forman el registro de estado y permiten los saltos condicionales.
BRBatería de registros de uso general. Señales SBRE (entrada) y SBRS (salida).

UC

Contiene el RI, el CP, el registro de estado, el reloj y el circuito de control. Este último tiene dos partes: el decodificador, que reconoce la instrucción, y el secuenciador, que lanza las señales en orden.

Memoria

La memoria se une a los buses con el RD (se carga con la señal CRDBA) y el RM (señales CRMM y CRMBD). Para leer se activa la señal L y para escribir la E, las dos durante todo el tiempo de ciclo. Las de carga son pulsos.

Lectura y escritura nunca a la vez: en un cronograma L y E no están activas al mismo tiempo.

Entrada/Salida

El controlador maneja el periférico y la interfaz gestiona el intercambio con la CPU. Hay tres formas de hacer una transferencia, según cuánto tiene que intervenir la CPU.

FormaCómo funcionaCPUComo esperar una pizza
Por programaLa CPU pregunta al periférico una y otra vez si ya está listo y mueve el dato ella.Ocupada todo el ratoMiras por la ventana cada minuto
Por interrupcionesEl periférico avisa con una interrupción cuando está listo, y entonces la CPU mueve el dato.Libre hasta el avisoTe llaman al timbre
DMAEl dato va del periférico a la memoria directamente.No interviene en la copiaEl repartidor la deja en tu nevera

Con bus único, memoria y E/S comparten los buses y cada periférico tiene su dirección (los puertos de E/S). Es sencillo, pero no permite dos transferencias a la vez. Con bus dedicado, la E/S tiene buses propios.

Una interfaz es lo que traduce entre dos sistemas distintos, como una persona y un ordenador. Puede ser de usuario, física (USB), gráfica (GUI) o un puerto físico o lógico.

E/S e interfaces (4.4 y 4.5) se explicaron en el vídeo de la sesión 3 y entran igual.
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Componentes de un PC

El procesador es la CPU de Von Neumann, la RAM es la memoria principal, los buses van por la placa base y los discos son memoria auxiliar.

Placa base y chipset

Solo la RAM y la gráfica en el PCIe x16 hablan directamente con la CPU. USB, discos SATA y red pasan antes por el chipset (con el PCH), porque son mucho más lentos que la CPU. El chipset también decide cuántas líneas PCIe hay, qué memoria se soporta y si se puede hacer overclocking.

CPU RAMdirecta GráficaPCIe x16, directa Chipsetcon el PCH USB SATA Red

En la placa hay piezas soldadas (como el chipset) y conectadas (como la RAM o las tarjetas). Sus partes son:

Formatos, de mayor a menor: E-ATX, ATX, micro-ATX, mini-ITX y nano-ITX.

La CPU no se cuenta como componente de la placa: se instala en su zócalo. El profesor rechazó una pregunta que la daba por componente con "todas son correctas".

Zócalo PGA: los pines están en el procesador. Zócalo LGA: los pines están en la placa.

Fuente y refrigeración

La fuente convierte la corriente alterna de 220 V en continua de +12 V, +5 V y +3,3 V. Se elige por:

Sus conectores son el ATX de 20+4 pines, Molex, SATA y el de ventilador de 3 pines.

El calor viene sobre todo de la fuente y el procesador. Se saca con disipador, ventilador y pasta térmica, y los ventiladores de la caja crean un efecto chimenea: el aire frío entra por abajo y el caliente sale por arriba.

Procesador

Dentro tiene registros, UC y UAL. Se compara por:

Ejecuta las instrucciones en fases: PreFetch, Fetch, decodificación, lectura de operandos, ejecución y escritura.

Hyperthreading es el nombre de Intel. En AMD se llama SMT. En los dos casos un núcleo ejecuta dos hilos.

RAM

Es volátil (se borra al apagar) y de acceso aleatorio. Va de DDR a DDR5, y cada generación tiene la muesca en otro sitio, así que no son compatibles entre sí. La latencia CAS son los ciclos de reloj para acceder a una columna. VRAM es la de las gráficas y LPDDR la de bajo consumo.

DDR4-3200 hace 3200 millones de transferencias por segundo, de 8 bytes cada una. 3200 × 8 = 25 600 MB/s, y por eso el módulo se llama PC4-25600. Con dual channel (dos módulos iguales) se leen 128 bits a la vez en lugar de 64.

PCI Express

Es un bus serie por carriles. Las ranuras x1, x4, x8 y x16 tienen ese número de carriles y son más largas cuantos más tienen. Cada versión, de la 1.0 a la 5.0, duplica más o menos el ancho de banda, y son compatibles entre sí.

Almacenamiento

El disco duro guarda en platos que giran, organizados en caras, pistas, cilindros y sectores de 512 bytes. Para localizar un sector se usó CHS (cilindro, cabeza, sector) y hoy se usa LBA, que numera los sectores seguidos. El SSD usa memoria flash NAND sin piezas móviles: mucho más rápido, pero más caro por GB.

M.2 es la forma física. SATA y NVMe son protocolos. Un disco M.2 puede ir por SATA (tope unos 600 MB/s) o por NVMe, que va por PCIe y es mucho más rápido.
LBA no es un protocolo, es una forma de numerar sectores. Sale como opción trampa junto a NVMe.
SATATeóricoReal aprox.
I1,5 Gbit/s150 MB/s
II3 Gbit/s300 MB/s
III6 Gbit/s600 MB/s

Las controladoras traducen entre el procesador y el disco y hoy van integradas en la placa. IDE y SCSI son interfaces antiguas. Otros soportes: USB, discos ópticos (CD, DVD, Blu-ray), tarjetas de memoria, NAS y la nube.

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Tarjetas, conectores, BIOS y redes

Tarjetas y periféricos

Una tarjeta de expansión añade algo que la placa no trae y va por PCIe:

En portátiles se usaba Mini PCI, y hoy Mini PCIe o M.2.

EntradaSalida
Teclado, ratón, escáner, lector de códigos de barras o QR, tableta digitalizadora, cámarasMonitor, impresora láser o de inyección, plotter, altavoces, auriculares, proyector

Monitores: CRT, LCD, TFT y LED/OLED. La resolución son píxeles horizontales × verticales: Full HD es 1920×1080 y 4K es 3840×2160.

Conectores

rosa: micrófono
azul: entrada de línea
verde: salida
ConectorQué lleva
VGAVídeo analógico (azul, 15 pines)
DVIVídeo digital
HDMI, DisplayPortVídeo digital y audio
FireWire (IEEE 1394)Audio y vídeo, sobre todo de cámaras
S/PDIFAudio digital, coaxial u óptico
USBHasta 127 dispositivos, plug & play. 3.0 = 5 Gbit/s, 3.1 = 10 Gbit/s. El tipo C carga hasta 100 W.
ThunderboltDe Intel y Apple, permite por ejemplo una gráfica externa (eGPU)
Thunderbolt no es USB: es otra tecnología que usa el mismo conector tipo C. Y HDMI y DisplayPort también llevan audio, así que "conectores de audio" no son solo mini jack, FireWire y S/PDIF.

BIOS y UEFI

La BIOS es el programa de la placa que arranca el equipo. Su configuración se guarda en la CMOS. Al encender:

  1. Hace el POST (autocomprobación de procesador, memoria, vídeo y teclado). Un pitido corto significa que todo está bien. Los códigos de error dependen del fabricante.
  2. Busca un dispositivo de arranque.
  3. Cede el control al cargador del sistema operativo.
BIOS LegacyUEFI
AspectoModo texto, de los 80Gráfica y más rápida
DiscosHasta 2 TBMás de 2 TB
Particiones4 primarias (MBR)Más de 4 (GPT)
ExtrasNoSeguridad y gestión de energía
Si metes un disco de 4 TB en un equipo que arranca en BIOS Legacy con MBR, no podrá usar todo el disco. Por eso hoy se usa UEFI con GPT.

Un SoC mete CPU, GPU, memoria y controladores en un solo chip: menos tamaño, consumo y coste, pero no se puede ampliar nada por separado. Es lo que llevan móviles y Raspberry Pi.

Seguridad y verificación

Normas de seguridad:

Para verificar un equipo:

QuéCon qué
Componentes detectadosEntrar en la UEFI
FuenteMultímetro
RAMMemtest86+
DiscoS.M.A.R.T. y herramientas del fabricante
RendimientoBenchmarks: Cinebench, Geekbench, 3DMark

Comunicaciones y redes

Puertos antiguos: serie (DB-9) y paralelo (DB-25). El cable de red usa RJ45, llega a 100 m y puede ser directo o cruzado.

El Wi-Fi funciona en modo infraestructura (con punto de acceso) o ad hoc (equipo a equipo). Se protege con:

Bluetooth 4.0 es de bajo consumo y 5.0 tiene más velocidad y alcance. Los dos usan emparejamiento y cifrado.

802.11Velocidad
b11 Mbit/s
g54 Mbit/s
nhasta 600 Mbit/s (MIMO)
acmás rápido que n
axWi-Fi 6

Red cableada: se comprueba el cable, los LEDs y el estado de la conexión. La IP se configura por DHCP o a mano (IP, máscara, puerta de enlace y DNS).

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Test

Las 15 primeras son el banco de preguntas aprobado por el profesor. Las demás son las trampas que él corrigió en el foro.

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