UTPL Guía Arquitectura

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Titulación Ciclo

¡ Ingeniero en Informática V

Arquitectura de ComputadoresGuía didáctica

4 créditos

Departamento de Ciencias de la Computación y ElectrónicaSección Electrónica y Energía

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJALa Universidad Católica de Loja

MODALIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA

Autores:Ing. Greyson Paúl Alberca Prieto

Ing. Silvana del Cisne Jiménez Rey

Asesoría virtual:www.utpl.edu.ec

Estimado estudiante recuerde que la presente guía didáctica está disponible en el EVA en formato PDF interactivo, lo que le permitirá acceder en línea a todos los recursos educativos.

ARQUITECTURA DE COMPUTADORESGuía didácticaGreyson Paúl Aberca PrietoSilvana del Cisne Jiménez Rey

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

CC Ecuador 3.0 By NC ND

Diagramación, diseño e impresión:EDILOJA Cía. Ltda.Telefax: 593-7-2611418San Cayetano Alto s/[email protected]

Primera edición Sexta reimpresión

ISBN-978-9942-08-032-5

Esta versión impresa, ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons Ecuador 3.0 de reconocimiento -no comercial- sin obras derivadas; la cual permite copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, mientras se reconozca la autoría original, no se utilice con fines comerciales ni se realicen obras derivadas. http://www.creativecommons.org/licences/by-nc-nd/3.0/ec/

Octubre, 2014

2. Índice

2. Índice ................................................................................................................................ 3

3. Introducción ................................................................................................................... 5

4. Lineamientos generales del modelo educativo basado en competencias y créditos académicos UTPL-ECTS ........................................... 6

4.1. Competencias genéricas ............................................................................................ 74.2. Competencias específicas .......................................................................................... 7

5. Bibliografía .................................................................................................................... 8

5.1. Básicas ...................................................................................................................... 85.2. Complementaria ........................................................................................................ 8Direcciones Electrónicas ....................................................................................................... 9

6. Orientaciones generales para el estudio .......................................................... 10

7. Proceso de enseñanza-aprendizaje para el logro de competencias .... 13

PRIMER BIMESTRE

7.1. Planificación para el trabajo del alumno ................................................................... 137.2. Sistema de evaluación de la asignatura (primero y segundo bimestres) ................. 157.3. Orientaciones específicas para el aprendizaje por competencias .............................. 16

Unidad 1: Introducción a la arquitectura de computadores ...................................................... 16

1.1. Organización y arquitectura ....................................................................................... 161.2. Estructura y funcionamiento ...................................................................................... 161.3. Historia de los computadores .................................................................................... 171.4. Máquina de Neumann ............................................................................................... 171.5. Diseño buscando mejores prestaciones ..................................................................... 20Autoevaluación 1 ................................................................................................................. 24

Unidad 2: Perspectiva de ato nivel de funcionamiento e interconexiones del computador ......... 26

2.1. Componentes del computador ................................................................................... 262.2. Funcionamiento del computador ............................................................................... 262.3. Estructuras de interconexión ...................................................................................... 282.4. Interconexión con buses ............................................................................................ 28Autoevaluación 2 ................................................................................................................. 31

Unidad 3: Memoria caché ...................................................................................................... 33

3.1. Conceptos básicos sobre sistemas de memoria ........................................................ 333.2. Principios básicos de las memorias caché ................................................................. 343.3. Elementos de diseño de una caché ........................................................................... 35Autoevaluación 3 ................................................................................................................. 40

SEGUNDO BIMESTRE

7.4. Planificación para el trabajo del alumno ................................................................... 417.5. Orientaciones específicas para el aprendizaje por competencias .............................. 43

Unidad 4: Entrada y salida (E/S) ............................................................................................ 43

4.1. Dispositivos externos ................................................................................................. 434.2. Módulos de E/S ........................................................................................................ 444.3. E/S programada ....................................................................................................... 454.4. E/S mediante interrupciones .................................................................................... 454.5. Acceso directo a memoria (DMA) ............................................................................. 46Autoevaluación 4 ................................................................................................................. 48

Unidad 5: Aritmética del computador...................................................................................... 49

5.1. La unidad aritmético-lógica ........................................................................................ 495.2. Representación de enteros ........................................................................................ 495.3. Aritmética con enteros ............................................................................................... 505.4. Representación en coma flotante .............................................................................. 52Autoevaluación 5 ................................................................................................................. 55

Unidad 6: Estructura y funcionamiento del procesador ............................................................ 56

6.1. Organización del procesador ..................................................................................... 566.2. Organización de los registros .................................................................................... 566.3. Ciclo de instrucción .................................................................................................... 576.4. Segmentación de instrucciones ................................................................................. 58Autoevaluación 6 ................................................................................................................. 61

8. Solucionario ................................................................................................................... 62

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Guía didáctica: Arquitectura de ComputadoresPRELIMINARES

3. Introducción

Una de las materias troncales con 4 créditos que se dicta en la carrera de Ingeniería en Informática, en la Modalidad Abierta y a Distancia, es Arquitectura de Computadores que se ubica en el quinto ciclo.

Dentro de la formación de un Ingeniero en Informática, conocer las arquitecturas computacionales es fundamental, ya que muchas de las actividades profesionales exigen un conocimiento en este campo. Por lo que el estudio de esta materia se constituye en uno de los pilares fundamentales debido a que en ella se enseñan los componentes computacionales con cada una de sus especificaciones funcionales.

Por ello, el propósito que se persigue con la asignatura es desarrollar las competencias básicas y necesarias para que el alumno esté en capacidad de analizar y resolver los problemas aplicando métodos de la ciencia y la ingeniería como también a aplicar la lógica matemática en el contexto de las Ciencias de la Computación, con proyección, al diseño de circuitos, programación, análisis y desarrollo de algoritmos.

En el esfuerzo de cimentar la arquitectura de los computadores, la asignatura se ha organizado de la siguiente manera: En el primer bimestre se estudiarán tres unidades correspondientes a los conceptos fundamentales de la estructura y organización, los sistemas de interconexión de cada uno de los componentes computacionales y finalmente la organización y funcionamiento de la memoria caché. Mientras que en el segundo bimestre los contenidos a cubrir se relacionan con los sistemas de entrada y salida(E/S), la aritmética que se utiliza dentro del procesador y la estructura y funcionamiento del procesador.

El reto está planteado, los resultados de su formación personal y profesional depende de su esfuerzo y responsabilidad. Expresamos un cordial saludo y a su vez le invitamos a que juntos llevemos adelante el estudio de la materia. Estamos dispuestos a ser parte de su proceso de aprendizaje.

Muchos éxitos. ¡Adelante!

Guía didáctica: Arquitectura de Computadores

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PRELIMINARES

4. Lineamientos generales del modelo educativo basado en competencias y créditos académicos UTPL-ECTS

Señor estudiante: recuerde que usted ha iniciado su formación de tercer nivel con un sistema educativo basado en el desarrollo de competencias a través de créditos académicos. Este modelo le convierte a usted en protagonista de su propia formación y al profesor en mediador de las experiencias de aprendizaje.

Surge entonces la necesidad de que tenga claro dos conceptos fundamentales competencia y crédito académico.

• ¿Qué es una competencia? Entendemos por competencia el conjunto de actitudes, habilidades y conocimientos que el alumno adquiere e incorpora según sus características personales y experiencias laborales y, que se ponen de manifiesto en el desempeño de la actividad profesional. Las competencias se adquieren a lo largo del proceso formativo de la carrera y se desagregan en objetivos de aprendizaje propuestos en cada asignatura.

Elementos de una competencia. Tres son los elementos que podemos distinguir en toda competencia:

Actitudes: son predisposiciones y comportamientos ante situaciones concretas.

Habilidades: son destrezas para ejecutar con éxito tareas, utilizar procedimientos y realizar trabajos. Se desarrollan a través de la práctica y la experiencia.

Conocimientos: constituyen los contenidos científicos, conceptuales, teóricos, conocidos también como el aprendizaje académico.

• ¿Qué es un crédito académico UTPL/ECTS en la Modalidad a Distancia?

Un crédito académico es la unidad de medida del trabajo del estudiante, implica 32 horas de trabajo del alumno (29 horas de trabajo autónomo y 3 horas de interacción) 1.

Los créditos académicos que el estudiante irá acumulando en el transcurso de la carrera involucran: aprendizaje autónomo (estudio personal), tareas de investigación, interacción en el Entorno Virtual de Aprendizaje (EVA), participación en tutorías, videoconferencias y otros eventos académicos (Jornadas, seminarios, cursos, congresos avalados por la UTPL), prácticas académicas, pasantías preprofesionales y de vinculación con la colectividad; actividades de evaluación; así como la realización del trabajo de titulación.

El modelo adoptado por la UTPL contempla dos tipos de competencias: genéricas y específicas.

Competencias genéricas: son aquellas capacidades (actitudes, habilidades y conocimientos) comunes a todas las profesiones que se ofrecen en la UTPL. Constituyen una parte fundamental del perfil que el estudiante debe desarrollar durante su formación.

Competencias específicas: son propias de la titulación, aportan a la cualificación específica para la profesión, dándole consistencia social y profesional al perfil formativo.

• Estructura general del programa formativo

1 CONESUP (2008): Reglamento del Régimen Académico del Sistema Nacional de Educación Superior, art. 18.

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Las unidades académicas o escuelas de la UTPL han estructurado el programa formativo contemplando cinco ámbitos o bloques de asignaturas: formación básica (10%); genéricas de carrera (15%); troncales (35%) complementarias (10%); libre configuración (10%) y además, el Practicum que comprende las Pasantías preprofesionales y de vinculación con la colectividad y Practicum Académico (20%).

4.1. Competencias genéricas

1. Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica

2. Conocimiento sobre el área de estudio

3. Capacidad de investigación

4. Habilidades para buscar, procesar y analizar información procedentes de fuentes diversas

5. Capacidad creativa e innovadora

6. Capacidad para organizar y planificar el tiempo

7. Habilidad para trabajar en forma autónoma

8. Habilidades en el uso de las tecnologías de la TIC´s

9. Compromiso ético

4.2. Competencias específicas

Estas competencias se encuentran detalladas en la planificación de cada bimestre.


8

PRELIMINARES

5. Bibliografía

5.1. Básicas

ÿ Stallings, W. (2006). Organización y arquitectura de computadores, Madrid (España), PEARSON Prentice Hall.

El texto de Organización y arquitectura de computadores hace un amplio análisis de los componentes computacionales y los sistemas de interconexión. Esta organizado en cinco partes detalladas en las primeras páginas. Además contiene ejemplos que le permitirán desarrollar los ejercicios propuestos al final de cada unidad. En esta materia nosotros revisaremos solamente las tres primeras secciones.

ÿ Alberca, G. y Jiménez, S. (2011). Guía didáctica de Arquitectura de Computadores. Loja- Ecuador, UTPL.

Guía didáctica diseñada para el estudio de la materia de Arquitectura de Computadores en la carrera de Ingeniería en Informática de la Modalidad Abierta y a Distancia de la Universidad Técnica Particular de Loja. Esta guía le permitirá orientar su proceso de aprendizaje mediante la explicación de los temas que se estudian optimizando el proceso de enseñanza aprendizaje.

5.2. Complementaria

RECURSOS OCW

ÿ Garay, N. y Otros. (2009). Arquitectura de computadores I. Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores. Facultad de Informática. Universidad del País Vasco.[En línea]. Disponible en : http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas /arquitectura-de-computadores-i/Course_listing. [Consulta 04/05/2011].

El presente recurso OCW lo utilizaremos para apoyar los siguientes temas: la unidad de control, la unidad aritmético/lógica, la estructura de la memoria principal, el subsistema de entrada/salida y la conexión entre subsistemas mediante buses. También como complemento y apoyo a los conceptos teóricos, existen ejercicios, prácticas de laboratorio para trabajar el subsistema de entrada/salida y manipular el hardware típico de un ordenador personal.

ÿ Puente V. y Abad, P.(2011). Arquitectura e ingeniería de computadores. Departamento de Electrónica y Computadores. Universidad de Cantabria.[En línea]. Disponible en: http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/arquitectura-e-ingenieria-de-computadores/programa. [Consulta 05/05/2011]

El presente OCW contiene temas utilizados para describir los fundamentos de diseño de computadores, repertorio de instrucciones, memoria caché. Además contiene actividades que el estudiante puede desarrollar para apoyar su aprendizaje.

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Direcciones Electrónicas

ÿ Stallings, W.(2011). Instructor Resources, Computer Organization And Architecture. [En línea]. Disponible en: http://www.box.net/shared/r7evm4jr0d/1/11070107/212600690/1#/shared/r7evm4jr0d/1/11070107. [Consulta 4/05/2011].

Aquí podrá encontrar un conjunto de erratas del texto. Es importante que revise estas consideraciones.

ÿ Sutter, G. (2008). Organización y estructura de la memoria cache. Ampliación: Políticas de ubicación en la cache.(transparencias). Universidad Autónoma de Madrid.[En línea]. Disponible en: http://arantxa.ii.uam.es/~gsutter/arq/Arqcap2_extrasUbic.pdf. [Consulta 04/05/2011].

En esta referencia se revisa conceptos relacionados con la Memoria Caché, respecto a la función de correspondencia, políticas de escritura.

ÿ Aylagas, P. (2007). Notas y transparencias de Arquitectura de computadores. Arquitectura de Computadores. Universidad Politécnica de Madrid.[En línea]. Disponible en: http://www.dia.eui.upm.es/asignatu/arq_com/Paco/Transpaco. htm. [Consulta 04/05/2011].

Estas notas y transparencias no pretenden en modo alguno servir de alternativa a cualquiera de los libros de texto indicados en la bibliografía . Sólo son las transparencias de clase con sus notas y comentarios de un curso de 30 horas de introducción a la Arquitectura de Computadores, y simplemente intentan servir de apoyo para su aprendizaje.

ÿ Quintana, F. (2007). Segmentación. Transparencias del Curso Estructura de computadores de la Universidad de la Palmas de Gran Canaria.[En línea]. Disponible en: http://serdis.dis.ulpgc.es/~itis-ec/Documentacion/Transparencias %20y%20problemas/Tema1_segmentacion/tema1_segmentacion.pdf. [Consulta 04/05/2011].

El recurso nos permitirá apoyar el tema de segmentación revisado en la unidad 6. Un conjunto de transparencias con imágenes ilustrativas que abordan la segmentación en los computadores.


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PRELIMINARES

6. Orientaciones generales para el estudio

La asignatura arquitectura de computadores, al ser una materia troncal de la Ingeniería en Informática, constituye una de las bases fundamentales para la formación del estudiante dentro de su área profesional, por lo tanto, ofrecemos algunas orientaciones que seguro le ayudarán en su estudio:

• La guía didáctica y un texto básico, los mismos que se detallaron en la bibliografía, y cuya finalidad es la de orientar en el aprendizaje y especificar las diversas actividades que deberá cumplir. Es por ello que se recomienda trabajar en forma paralela la guía con el texto básico.

• Debido a la temática que se desarrolla dentro de la asignatura, la mejor forma de estudiar y evaluar el avance de los contenidos es a través de la resolución de problemas para lo cual se contará con una sección de autoevaluación utilizada para este fin.

• Tenga presente que los contenidos están divididos en dos partes, para el primer bimestre estudiaremos las unidades 1 a 3 y para el segundo bimestre abordaremos las unidades de 4 a 6. Además es importante que escoja un lugar tranquilo, bien iluminado para el estudio de la asignatura.

• Lea detenidamente cada uno de los capítulos del texto básico y utilice técnicas de estudio como el subrayado, resúmenes, cuadros sinópticos, mentefactos y/o cualquier estrategia de aprendizaje de acuerdo a su manera de aprender.

• Como parte de su autoaprendizaje es recomendable que resuelva las autoevaluaciones ubicadas al final de cada unidad de estudio, hágalas sin consultar ningún documento y luego verifique las respuestas en el solucionario ubicado al final de la guía didáctica.

• Los trabajos a distancia. Un conjunto de actividades teóricas y prácticas que deben desarrollarse obligatoriamente con el fin de evaluar el progreso en el desarrollo de los contenidos. Existen 2 evaluaciones a distancia, una por cada bimestre, que deben entregarse en su centro de estudios en las fechas señaladas por la Universidad. Cada trabajo tiene una valoración de seis puntos y son requisito para presentarse a la evaluación presencial. Los 6 puntos se los obtiene de la siguiente manera: 2 puntos por responder a preguntas objetivas, 2 puntos por resolver los ejercicios de la parte de ensayo y 2 puntos por participación en el EVA. (Para nuestra materia existen 2 foros obligatorios por bimestre, evaluaciones en línea, tareas extra, retroalimentaciones, encuestas, los mismos que deben desarrollarse en el EVA).

• Ingrese al EVA semanalmente, ahí encontrará información que le será de gran ayuda para la comprensión de la asignatura (videos, audios grabados por el tutor, preguntas de compañeros, diapositivas, ejercicios resueltos, etc.).

• Asista a la videoconferencia, en la que se explicará sobre los temas de la asignatura y participe con preguntas e inquietudes que surjan en el desarrollo de los contenidos.

• Un curso OCW, el enlace a este curso lo puede revisar en la bibliografía complementaria, que le ayudará a profundizar algunos conceptos. Las lecturas de los temas de este curso, se recomiendan en las secciones finales de cada capítulo de la guía de estudio.

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• Para poder recibir ayuda por el profesor (es) – tutor (es) en su aprendizaje, usted puede utilizar los medios de comunicación, el correo electrónico, Entorno Virtual de Aprendizaje (EVA), chat, línea telefónica.

• Además le recomendamos revisar la “planificación para el trabajo del alumno”, este cuadro le da una visión global de la asignatura, pues allí se encuentran las competencias genéricas, competencias específicas e indicadores de logro por cada uno de los bimestres así mismo puede revisar los contenidos a abordarse, las actividades de aprendizaje y el tiempo estimado para el estudio de cada una de las asignaturas.

• Si tiene alguna inquietud acerca de los temas tratados puede ubicar sus dudas en el foro o también en el twitter del EVA, para que sus compañeros puedan beneficiarse de las respuestas y aprender colaborativamente.

Esperamos que todas y cada una de estas recomendaciones contribuyan al aprendizaje exitoso de esta asignatura. Como parte adicional que se incluye en la guía didáctica usted se podrá guiar con los siguientes iconos que le indicarán la acción a realizar en cada unidad:

Indicaciones del profesor

Revisar texto básico

Buscar información en Internet

Interactividad en el EVA. Participe en foros

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Guía didáctica: Arquitectura de ComputadoresPRIMER BIMESTRE

7. Proceso de enseñanza-aprendizaje para el logro de competencias

PRIMER BIMESTRE

7.1. Planificación para el trabajo del alumno

COMPETENCIAS ESPECÍFICAS

INDICADORES DE APRENDIZAJE

CONTENIDOSACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

CRONOGRAMA ORIENTATIVO

Tiempo estimadoUnidades/Temas

Comprender, analizar y resolver problemas aplicando los métodos de la ciencia y la ingeniería.

Enuncia la historia de evolución de los computadores.

Identifica la estructura de un computador.

Elabora microprogramas con los códigos de operación de la IAS.

Utiliza el conjunto de instrucciones IAS para la resolución de problemas.

UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LA ARQUITECTURA DE COMPUTADORES

1.1. Organización y arquitectura

1.2. Estructura y Funcionamiento

1.3. Historia de los computadores

1.4. Máquina de Neuman

1.5. Diseño buscando mejores prestaciones

• Inicie con la lectura de capítulo 1 del texto básico, con las secciones 1.1 y 1.2. Conteste las interrogantes propuestas de la guía.

• Participe en el foro del EVA con la temática propuesta por el profesor.

• Realice una lectura capítulo 2 del texto básico, en las sección 2.1, 2.2 y conteste los interrogantes propuestas de la guía

• Revise los problemas resueltos en la guía de estudios de la primera unidad.

• Realice la autoevaluación de la unidad 1.

• Empiece con la resolución de las evaluación a distancia correspondiente al primer bimestre.

Semana 1 y 2 :

12 horas de autoestudio.

8 horas de interacción en el EVA por semana.

Analiza las diferentes estructuras de interconexión entre los componentes del computador.

UNIDAD 2: PERSPECTIVA DE ALTO NIVEL DEL FUNCIONAMIENTO Y DE LAS INTERCONEXIONES DEL COMPUTADOR

2.1. Componentes del computador

2.2. Funcionamiento del computador

2.3. Estructuras de interconexión

2.4. Interconexión con buses

• Continúe conla lectura del capítulo 3 del texto básico, en las sección 3.1, 3.2, 3.3, 3.4. Luego conteste los interrogantes propuestas de la guía.

• Participe colaborativamente en el foro del EVA con la temática propuesta por el profesor.

• Revise los problemas resueltos en la guía de estudios de la primera unidad.

• Afine sus conocimientos con el desarrollo de la autoevaluación de la unidad 2.

• Continúe con la resolución de la evaluación a distancia del primer bimestre.

Semana 3 y 4:


8 horas de interacción en el EVA por semana


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PRIMER BIMESTRE






Aplica los conceptos relacionados con la memoria Caché.

Analiza el flujo de información entre las diferentes funciones de correspondencia.

UNIDAD 3: MEMORIA CACHÉ

3.1. Conceptos básicos sobre sistemas de memoria de computadores

3.2. Principios básicos de las memorias caché

3.3. Elementos de diseño de la caché

• Revise el capítulo 4 del texto básico, en las secciones 4.1, 4.3, 4.4. Luego conteste los interrogantes propuestas de la guía.

• Ejecute un programa emulando la memoria caché y participe con los resultados en el foro.

• Mejore sus conocimientos en la actividad de autoevaluación de la unidad 2.

• Finalice la resolución de la evaluación a distancia del primer bimestre.

Semana 5 y 6:



Unidades de la 1 a la 3 • Revise los contenidos de las autoevaluaciones y evaluación a distancia como preparación para la evaluación presencial correspondiente al primer bimestre.

Semana 7 y 8:



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7.2. Sistema de evaluación de la asignatura (primero y segundo bimestres)

Formas de evaluación

Competencia: criterio

1. A

utoe

valu

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n *

2. Heteroevaluación

3. C

oeva

luac

ión

Evaluación adistancia **

Evaluaciónpresencial

Part

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Part

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l EVA

Prue

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iva

Act

itude

s

Comportamiento ético X X X X X

Cumplimiento, puntualidad, responsabilidad X X X X

Esfuerzo e interés en los trabajos X X X X

Respeto a las personas y a lasnormas de comunicación X

Hab

ilida

des

Creatividad e iniciativa X X

Contribución en el trabajo colaborativo y de equipo X X

Presentación, orden y ortografía X X

Emite juicios de valor argumentadamente X X X X

Cono

cim

ient

os

Dominio del contenido X X X X X

Investigación (cita fuentes de consulta) X X X

Aporta con criterios y soluciones X X

Análisis y profundidad en el desarrollo de temas X X

PORCENTAJE

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ateg

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Máx

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el

EVA

Puntaje 2 4 6 14

TOTAL 20 puntos

Para aprobar la asignatura se requiere obtener un puntaje mínimo de 28/40 puntos, que equivale al 70%.

* Son estrategias de aprendizaje, no tienen calificación; pero debe responderlas con el fin de autocomprobar su proceso de aprendizaje.** Recuerde que la evaluación a distancia consta de dos partes: una objetiva y otra de ensayo, debe desarrollarla y entregarla en su respectivo centro universitario.

Señor estudiante:

Tenga presente que la finalidad de la valoración cualitativa es principalmente formativa.


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PRIMER BIMESTRE

7.3. Orientaciones específicas para el aprendizaje por competencias

Unidad 1: Introducción a la arquitectura de computadores

Esta es la primera de seis unidades que se estudiarán durante el presente ciclo de estudios y tiene como finalidad introducirlo en la estructura y funcionamiento de los computadores. Al inicio se analizarán algunos conceptos relacionados con los computadores para luego revisar la historia de la computación. En esta sección se estudiará detenidamente la máquina de Von Neumann (IAS), su estructura, sus características y el conjunto de instrucciones. Al finalizar esta unidad encontrará un conjunto de ejercicios y actividades propuestas para afianzar su aprendizaje. Luego de este breve preámbulo iniciemos con el primer tema.

1.1. Organización y arquitectura

Conocer sobre la organización y la arquitectura de computadores previo al estudio de sus componentes es fundamental para tener una visión amplia de los contenidos que se abordan en el presente ciclo.

Inicie con el estudio del texto básico en el capítulo 1: Introducción, sección 1.1 con el tema Organización y arquitectura.

Este tema comenta la naturaleza y características de los computadores como base fundamental para la ubicación de las partes de la computadora y la función de cada una de ellas. Se recomienda que una vez comprendidas las características antes mencionadas describa con sus propias palabras la organización y la arquitectura del computador. ¿Qué le pareció este primer tema? Interesante ¿verdad? bien, continuemos.

1.2. Estructura y funcionamiento

El estudio del texto básico debe hacerse desde lo más simple a lo más complejo, es por eso que la estructura y el funcionamiento se lo presenta de manera global. Continuemos con el estudio de los componentes de forma individual y sus interrelaciones.

Ahora retome el texto básico en el capítulo 1, sección 1.2 Estructura y funcionamiento.

Luego que ha estudiado el tema, observe la figura 1.5 y figura 1.6. Aquí se muestra un detalle de la estructura de un computador. Analice cada estructura y cómo estas se dividen en subestructuras. Por ejemplo la unidad de control tiene como subestructuras: lógica secuencial, registros y decodificadores y memoria de control. Ahora usted puede describir cuales son las subestructuras de ALU, Bus Interno y Registros.

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¿Ha comprendido los temas antes mencionados? ¿Podría describir con sus propias palabras la diferencia entre organización y arquitectura de un computador? ¿Cuáles son las posibles operaciones en un computador? ¿Describa las partes de la unidad de control? Si ha comprendido estos temas ahora continúe con la historia de los computadores.

1.3. Historia de los computadores

La historia ha demostrado el avance impresionante que ha tenido la tecnología computacional. Nos encontramos en una era donde la evolución informática se debe a esos grandes pensadores y creadores de nuevas arquitecturas computacionales. Revisemos las actividades propuestas para comprender el tema en el texto básico. En medida de lo posible trate de realizar estas actividades con otros compañeros de su localidad para que puedan beneficiarse del trabajo en grupo. En caso de tener algún tipo de inconveniente no dude en hacerlo partícipe a su profesor.

Lea comprensivamente el texto básico en el capítulo 1, sección 2.1. Una breve descripción de los computadores

Interactividad en el EVA: participe en el primer foro propuesto y comente los aportes de dos de sus compañeros. Por favor trate de crear un ambiente de discusión para el aprendizaje.

1.4. Máquina de Neumann

Actualmente la gran mayoría de computadores están basados en la arquitectura de Neumann. Su origen esta dado a raíz del proyecto ENIAC del matemático húngaro John Von Neumann. Revisemos a continuación sus especificaciones.

Revise el texto básico en el capítulo 2, sección 2.1. Una breve historia de los computadores, el tema “La máquina de von Neumann”.

Algunos puntos importantes a considerar para abordar el aprendizaje en este tema:

- Primero, tenga en cuenta las características que definen la máquina de Neuman como la cantidad de palabras de la memoria IAS, el formato de la memoria IAS (palabra número y palabra instrucción), cada uno de los registros que utiliza (MBR, MAR,IR, IBR, PC, AC, MQ).

- Segundo, las figura 2.2, figura 2.3 y figura 2.4 son clave para el desarrollo de los ejercicios relacionados con el tema. Estudie y comprenda completamente su funcionamiento.

- Tercero, la tabla 2.1 contiene el conjunto de instrucciones IAS, cuyo propósito es construir microprogramas para realizar operaciones sencillas. Estas microinstrucciones son similares a las utilizadas en el código assembler. No es necesario que se memorice todas las microinstrucciones pero sí que identifique para qué sirve cada una de ellas.

- Finalmente, la construcción de un microprograma en IAS se lo hace ubicando secuencialmente el conjunto de instrucciones IAS de acuerdo a las problemática a resolver. Tome en cuenta que una palabra de instrucción contiene dos instrucciones.


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PRIMER BIMESTRE

A continuación se presenta un ejemplo de microprograma utilizando el conjunto de instrucciones IAS.

Ejemplo 1.1

Objetivo del problema: encontrar el mayor de un número en una arreglo de 100 posiciones en la memoria IAS.

Desarrollo:

1. Condiciones iniciales: es importante considerar que no se cuenta con instrucciones para la toma de datos de entrada (por ejemplo ingreso por teclado) entonces se asume que el arreglo y los valores iniciales ya están en la memoria IAS.

Memoria IAS: Datos

DIRRECCI

ONES

DE

IAS

000 6

ARREGLO

001 5

002 4

003 1

004 2

005 3

006 4

007 10

: 11

: 8

099 9

100

101 0 Contiene cada elemento del arreglo (S)

102 0 Contiene el elemento mayor (B)

103 99 Contiene el número de posiciones a repetir (C )

104 1 Contiene una constate (D)

Observe que la memoria IAS se compone de direcciones de una longitud de 12 bits de acuerdo a la definición. En este ejemplo se ha enumerado el arreglo secuencialmente desde 000 hasta 099, para que pueda entender que se trabajarán con cien elementos. Generalmente estas direcciones se encuentran en hexadecimales, pero para facilitar la comprensión del ejemplo se ha manejado con expresiones decimales (en base 10). Además de las direcciones otro componente es la información misma que en este caso son números también representados en formato decimal.

Bajo el arreglo se observa que los espacios de memoria 101, 102, 103 y 104 son utilizados temporalmente para el proceso de obtener el mayor de los elementos.

2. Con las instrucciones de la tabla 2.1 se ha diseñado un algoritmo que permita obtener el mayor de estos elementos. Recuerde: no se puede incluir alguna instrucción que no esté en la tabla. Se muestra el algoritmo utilizado:

ALGORITMO

1. Inicializar a B con 0, aquí se guardará temporalmente el elemento mayor en cada comparación.

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2. Inicializar S con el primer elemento a comparar.

3. Realizar la operación B-S.

4. Si la operación anterior es negativa, entonces ubicar en B el valor de S (indica que S es mayor).

5. Si la operación es positiva ( indica que B es mayor o igual), mantener el valor de B.

6. Asignar a S el siguiente elemento a comparar.

7. Volver al paso 3 hasta que se recorran todos los elementos del arreglo. (C<99).

A continuación representamos el algoritmo anterior expresado en instrucciones de IAS.

DIR IZQ DIR DERF0 LOAD M(099) STORE M(S)F1 LOAD M(B) SUB M(S)F2 JUMP +M(F3,0:19) JUMP M(F6,0:19)F3 LOAD M(C) SUB M(D)F4 STOR M(C) STOR M(F0,28:39)F5 JUMP + M(F0,0:19) JUMP (F8,0:19)F6 LOAD M(S) STOR M(B)F7 JUMP (F3,0:19) ----------F8

3. El algoritmo anterior se lo ha formalizado de tal manera que sus instrucciones se representen dentro del formato de la figura 2.2 literal b.

Memoria IAS: instrucciones

Codop Dirección Codop DirecciónDIRRECCI

ONES

105 LOAD M(X) 099 STORE M(X) 101INSTRUCCION

106 LOAD M(X) 102 SUB M(X) 101107 JUMP +M(X,0:19) 108 JUMP M(X,0:19) 111108 LOAD M(X) 103 SUB M(X) 104109 STOR M(X) 103 STOR M(X,8:19) 105110 JUMP +M(X,0:19) 105 JUMP M(X,0:19) 113111 LOAD M(X) 101 STOR M(X) 102112 JUMP M(X,0:19) 108 --------------- ----113114

115

116

4. Seguido se debe hacer la “corrida de prueba” del algoritmo construido. Para ello debemos utilizar las figuras 2.3 y figura 2.4. Los pasos a seguir son:

a. Se inicia el proceso ubicando en el PC la dirección de la primera instrucción a ejecutar. PC =105.


20

PRIMER BIMESTRE

b. Se obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y se la guarda en el registro de instrucción. MBRß M(105).

c. Se decodifica la instrucción mediante la unidad de control. Esta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.

d. Se ejecuta la instrucción. Esta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas. El contador puede cambiar también cuando se cumpla una cierta condición aritmética, haciendo que el ordenador pueda ‘tomar decisiones’, que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmética y lógica anteriores.

e. Se aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.

f. Se repite el proceso con todas las instrucciones.

5. Ahora, se utiliza la siguiente tabla para indicar el proceso que se ha seguido:

PC AC M(S) M(B) M(C) M(D) Cambio de instrucción

F0 (IZQ) M(099)à9 0 0 99 1F0 (DER) 9 9 0 99 1F1(IZQ) 0 9 0 99 1F1(DER) (0-9)→-9 9 0 99 1F2(IZQ) (AC>0) 9 0 99 1F2(DER) PC=F6F6(IZQ) M(S)→9 9 0 99 1F6(DER) 9 9 9 99 1F7(IZQ) PC=F3 9 9 99 1F3(IZQ) M(C)→99 9 9 99 1F3(DER) (99-1)→98 9 9 99 1F4(IZQ) 98 9 9 98 1F4(DER) 98 9 9 98 1 F1: LOAD M(098)F5(IZQ) (AC>0), PC=F0 9 9 98 1F0( IZQ) M(098)→8 9 9 98 1…. … … .. .. .. ..

Una vez que ha comprendido el ejercicio realice lo siguiente:

1. Transcriba el algoritmo con representaciones hexadecimales.

2. Complete qué función cumplen los registros IBR, MBR, MAR en cada uno de los pasos en el numeral 5.

Si ha realizado esta tarea podemos iniciar el siguiente tema. Por favor no olvide que puede llamar a su profesor para recibir tutoría sobre el tema.

1.5. Diseño buscando mejores prestaciones

Actualmente la renovación tecnológica hace que los sistemas personales tengan grandes capacidades de procesamiento. Además, los nuevos diseños de sistemas operativos permiten que los componentes funcionen mucho mejor que versiones predecesoras. A continuación revisemos algunos conceptos y factores para obtener mejores prestaciones.

Revise en el texto básico el capítulo 2, sección 2.2. Diseño buscando mejores prestaciones en los temas: “Velocidad del microprocesador”, “Equilibrio de prestaciones”, “Mejora en la organización y arquitectura de chips”, “Evolución del Pentium y del Power PC”.

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Una vez realizada la actividad podrá describir algunos factores que se debe tomar en cuenta para el diseño de computadoras con altas prestaciones. Ahora lo animamos a que responda las siguientes interrogantes.

¿A qué se refiere con el equilibrio de prestaciones en un computador?, ¿cuáles han sido las mejoras en los microprocesadores Intel?, ¿cuál ha sido la evolución del Power PC?

Para reforzar los temas relacionados a la primera unidad le invitamos a que revise el tema 1 del recurso OCW de la Universidad de Cantabria, indicado en la bibliografía complementaria.

A continuación presentamos un conjunto de ejercicios resueltos tomados de la sección Problemas del texto básico. La numeración es la misma que en el texto.

Ejercicio # 2.1. Sean A = A(l), A(2)..., A(100) y B = B(l), B(2)..., B(100) dos vectores (unidimensionales) que comprenden 1000 números cada uno, que van a ser sumados para formar un vector C, tal que C(I) = A(I) + B(I), donde 1=1, 2..., 100. Usando el conjunto de instrucciones IAS, escribir un programa para resolver este problema.

1. Esquema del contenido de memoria principal.

Arreglo ADIRRECCI

ONES

000 6

ARREGLOA

001 5002 4003 1004 2005 3006 4007 10

: 11: 8

099 9

Arreglo B

100 1

ARREGLOB

101 5102 4103 1104 4105 3106 3107 10

: 14: 8

199 9

Arreglo C

200

ARREGLOC

201202203204205206207

::

299

2. Conjunto de instrucciones IAS para resolver el problema.

DIRRECCI

ONESDEIAS

300 LOAD (099) ADD(199)301 STOR (299) LOAD (D1)302 SUB (D4) STOR (D1)303 STOR M (300, 8:19) LOAD (D2)304 SUB (D4) STOR (D2)305 STOR M (300, 28:29) LOAD (D3)306 SUB (D4) STOR (D3)307 STOR (301, 8:19) JUMP + M (300, 0:19)308 099 D1309 199 D2310 299 D2311 1 D4312313

Problemas Resueltos


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PRIMER BIMESTRE

3. Corrida del programa

Proceso PC AC MAR MBR IBR IR

INSTRUCCIÓN 1

300 300 MAR ← 300LOAD (099) ADD(199) MBR ← M(300)

099 ADD(199) LOADIBR ← MBR(20:39)

IR ← MBR(0:7)MAR ← MBR(8:19)

9 EJECUCIÓN DE LOADMBR ← M(099)

9 AC ← MBR

199 ADD IR ← IBR(0:7)MAR ← IBR(8:19)

301 Incremento de PCPC=300+1

9 EJECUCIÓN DE ADDMBR ← M(199)

18 AC ← AC+MBR

INSTRUCCIÓN 2

301 MAR ← 3001STOR(299) LOAD(D1) MBR ← M(301)

299 LOAD(D1) STORIBR ← MBR(20:39)

IR ← MBR(0:7)MAR ← MBR(8:19)

18 EJECUCIÓN DE STORMBR ← AC

M(299) ← MBR

Ejercicio #2.4. Dados los contenidos de memoria siguientes de un computador IAS:

Direcciones Contenidos08A 010FA210FB08B 010FA0F08D08C 020FA210FB

Mostrar el código del programa en lenguaje ensamblador, empezando en la dirección 08A. Explicar lo que hace el programa.

08A 010FA210FB = 08A 0000000100001111101000100001000011111011

El programa aplica la instrucción LOAD M(X) para la instrucción de la izquierda de la palabra y transfiere el contenido de la posición 08A de la memoria al acumulador y ejecuta la instrucción STOR M(X) para la instrucción de la derecha transfiriendo el contenido del acumulador a una posición de memoria X.

08B 010FA0F08D = 08B 0000000100001111101000001111000010001101

El programa aplica la instrucción LOAD M(X) para la instrucción de la izquierda de la palabra y transfiere el contenido de la posición 08B de la memoria al acumulador y ejecuta la instrucción JUMP + M(X, 0:19) para la instrucción de la derecha solicitando la captura de la siguiente instrucción de la mitad izquierda de la palabra siempre y cuando el número en el acumulador no sea negativo.

08C 020FA210FB = 08C 0000001000001111101000100001000011111011

El programa aplica la instrucción LOAD–M(X) para la instrucción de la izquierda de la palabra y transfiere–M(X) al acumulador y ejecuta la instrucción STOR M(X) para la instrucción de la derecha transfiriendo el contenido del acumulador a una posición de memoria X.

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Ejercicio #2.13. Un programa de prueba se está ejecutando en un procesador de 40 mhz. El código objeto consta de 100.000 instrucciones, con el siguiente conjunto de instrucciones y ciclo de reloj:

Tipo de instrucción Contador de instrucciones Ciclo de reloj

Aritméticos enteros 45.000 1Datos transferidos 32.000 2Punto flotante 15.000 2Control transferidos 8.000 2

Determinar el CPI efectivo, la velocidad en MIPS y el tiempo de ejecución para este programa.

CPI = f/MIPS CPI es el número medio de ciclos por instrucción = 1,55 CPIMIPS=f/CPIT= Ic x CPI x tt= 1/f = 1/(40mhz) = 0.025 x10-6 seg = 0.025μ seg.

DESARROLLO

CPI= (45000x1 + 32000x2 + 15000x2 + 8000x2)/100000 =155000/100000

RESPUESTA CPI = 1.55

MIPS= reloj frecuencia/ (CPI x 100000) =(40 x 1000000)/(1.55 x 100000)

RESPUESTA MIPS = 25.8

Tiempo de ejecución (t) =tiempo del contador * CPI del reloj * instrucción

=cuenta/frecuencia =1.55 * 100000/40000000 =1.55/400

RESPUESTA tiempo de ejecución (t) = 3.87 ms.

Ha concluido el estudio de la primera unidad. Ahora le invitamos a desarrollar la siguiente actividad de autoevaluación para afianzar los conocimientos adquiridos.


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PRIMER BIMESTRE

Autoevaluación 1

Parte A: Preguntas objetivas:

Conteste con verdadero (V) o falso (F) a cada una de las siguientes expresiones, según corresponda:

1. ( ) Las funciones básicas de un computador son: procesamiento de datos, almacenamiento de datos, transferencia de datos y control.

2. ( ) Sistema de interconexión es la transferencia de datos entre el computador y entorno externo.

3. ( ) La estructura del computador está conformada por: memoria principal, interconexión de la CPU, unidad central de procesamiento, entrada/salida.

4. ( ) La unidad de control tiene como función el procesamiento de datos del computador.

5. ( ) El componente electrónico de la tercera generación de los computadores fueron los transistores.

6. ( ) El ENIAC era una máquina decimal y no binaria.

7. ( ) El registro MBR contiene los ocho bits del código de operación de la instrucción que se va a ejecutar.

8. ( ) La máquina de Von Neumann se basó en el concepto de programa-almacenado.

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios de este capítulo tomados del texto básico: evaluación y prestación de Computadores.

Ejercicio # 2.3. En el IAS, describir con palabras el proceso que tiene que seguir la CPU para leer un valor de memoria, y luego para escribir un valor en memoria. Indique cómo cambian MAR, MBR, el bus de direcciones, el bus de datos y el bus de control.

Ejercicio # 2.10. Un procesador está sincronizado por un reloj con una frecuencia constante f, o lo que es lo mismo, un tiempo de ciclo contante T, donde T = 1/f. El tamaño de un programa se puede medir con el número de instrucciones de máquina, o número de instrucciones Ic, que contiene el programa. Distintas instrucciones máquina consumen distintos ciclos de reloj. Un parámetro importante es el número medio de ciclos por instrucción de CPI de un programa. El tiempo T que el procesador necesita para ejecutar un programa dado se puede expresar:

T = Ic x CPI x T

Esta fórmula se puede reescribir teniendo en cuenta que durante la ejecución de una instrucción, parte del trabajo lo realiza el procesador, y parte del tiempo se está transfiriendo a, o desde memoria, una

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palabra. En este último caso, el tiempo de transferencia depende del tiempo de ciclo de memoria, que puede ser mayor que el tiempo de ciclo del procesador. Se puede reescribir la ecuación anterior:

T = Ic x [p + (m x k)] x T

Donde p es el número de ciclos de procesador necesarios para decodificar y ejecutar la instrucción, m es el número de accesos a memoria, y k es el cociente entre el tiempo de ciclo del procesador. Los cinco factores de prestaciones de la ecuación anterior (Ic,p, m, k, T) depende de los cuatro atributos del sistema: el diseño del conjunto de instrucciones (conocido como arquitectura del conjunto de instrucciones), de la tecnología del compilador (cómo de efectivo es el compilador produciendo un programa en lenguaje máquina a partir de un programa en un lenguaje de alto nivel), de la implementación del procesador, y de la jerarquía de memoria y de la caché. Hacer una matriz en la que una dimensión muestre los cincos factores de las prestaciones y la otra los cuatro atributos del sistema. Poner una X en cada celda en la que el atributo del sistema afecte al factor de prestaciones.

Al final de esta guía encontrará una sección de solucionario en donde encontrará las respuestas de esta autoevaluación. Si usted alcanzó el 80% de logros puede continuar adelante. ¡Felicitaciones!; de lo contrario, se recomienda revisar nuevamente la temática para tener una mayor comprensión. ¡Ánimo, inténtelo de nuevo!

Revise sus respuestas en el solucionario que se encuentra al final de la presente guía didáctica.

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26

PRIMER BIMESTRE

Unidad 2: Perspectiva de ato nivel de funcionamiento e interconexiones del computador

Una vez estudiados los conceptos de la estructura, funcionamiento del computador, así como la aplicación de las instrucciones IAS, es importante centrarnos en las estructuras básicas utilizadas para la interconexión de los componentes del computador. Para estudiar esta unidad debe hacer referencia al capítulo 3 del texto básico. Como sugerencia haga hincapié en tres partes importantes: primero, realice un examen de las necesidades de interconexión en cada uno de los componentes del computador. Segundo, estudie cada una de las funcionalidades de los componentes descritos en la primera parte. Finalmente analice el uso de los buses que interconectan los componentes.

Al finalizar esta unidad encontrará ejercicios resueltos y actividades propuestas para que verifique su proceso de aprendizaje.

2.1. Componentes del computador

Gracias a la arquitectura de Neumann los computadores pueden almacenar instrucciones en memoria que luego son utilizadas para proporcionar señales de control necesarias para la reconfiguración del hardware. Esta reconfiguración hace posible que los computadores puedan ser utilizados para diferentes propósitos. La siguiente actividad nos introduce en este tema.

Revise el texto básico en el capítulo 3. Perspectivas de alto nivel de funcionamiento y de las interconexiones del computador, sección 3.1. Componentes del computador.

Una vez que ha entendido la diferencia entre la programación por hardware, la programación por software y el uso de códigos de instrucción, ahora encuentre las diferencias en las figuras 2.3 y 3.2. del texto básico.

¿Cuáles han sido las diferencias en las figuras comentadas anteriormente? ¿Puede nuevamente definir qué función tienen los registros PC, IR, MAR, MBR, E/S AR, E/S BR? Si ha tenido dificultad en contestar, revise nuevamente esta sección. Superada esta actividad se proceda con el siguiente tema.

2.2. Funcionamiento del computador

Los aspectos claves de la ejecución de un programa almacenado en memoria son descritos en esta sección. Le sugerimos abordar el estudio de la sección con el ciclo básico de una instrucción, donde se describe paso a paso lo que sucede en la Figura 3.5 del texto básico. Como requisito de esta actividad es el manejo de las potencias para la obtención de la cantidad de códigos de operación y la cantidad de palabras que se pueden direccionar directamente. A continuación revisemos el texto básico.

Continúe con la lectura el texto básico en el capítulo 3 de Perspectivas de alto nivel de funcionamiento y de las interconexiones del computador, sección 3.2. Funcionamiento del computador.

27


Para afianzar el contenido estudiado presentamos una ampliación de lo comentado en el párrafo anterior:

La expresión 2n utilizado en el texto básico, generalmente sirve para obtener las posibles combinaciones de un conjunto n de números binarios. Por ejemplo si se desea conocer cuantos códigos de operación se pueden representar con 4 bits el proceso a seguir es:

24(# de bits)=16

por lo que se puede decir que con 4 bits se representan 16 códigos de operación:

Códigos de 4 bits Descripción0000 … (cualquier otra microoperación)0001 Cargar AC desde la memoria0010 Almacenar AC en memoria0011 Multiplicar MQ con un dato de memoria0100 Dividir MQ con un dato de memoria0101 Sumar AC un dato en memoria0110 …0111 …1000 …1001 …1010 …1011 …1100 …1101 …1110 …1111 …

¿Ha entendido como se representa los 6 pasos mostrados en la figura 3.5?. Si su respuesta es afirmativa podemos continuar, caso contrario, le sugiero repasar esta sección en una hoja en blanco, sin abrir el texto básico. Luego compare su respuesta con la del libro.

La figura 3.6 del texto básico es un diagrama de estados ampliada del ciclo de una instrucción. Cada circunferencia indica el estado en que se encuentra una instrucción para ser ejecutada.

Ahora evaluemos la comprensión de esta sección contestando la definición de cada una de las siguientes siglas IAC, IF, IOD,OAC,OF,DO,OS El siguiente tema aporta dos estados más al ciclo normal de una instrucción veamos cuáles son y dónde se ubican.

Las interrupciones

Es momento de iniciar con las interrupciones que se definen como un mecanismo para aprovechar mejor los recursos de la CPU. En la tabla 3.1 del texto básico se encuentran cuatro tipos o clases de interrupciones y un buen ejemplo en la figura 3.7. Es evidente que el uso de las interrupciones no permite que se derroche tiempo valioso de procesamiento.

Ahora, es necesario hacer una ampliación al concepto de ciclo de instrucción pero con la utilización de interrupciones. En la figura 3.9 y figura 3.12 se hace una explicación del ciclo de instrucción con interrupciones. Analice la importancia de la interrupción y en qué momento se da paso dentro del ciclo


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PRIMER BIMESTRE

de una instrucción. La figura 3.14 muestra un ejemplo de gestión de interrupciones solicitadas por tres dispositivos: impresora, comunicaciones y disco.

¿Ha comprendido cómo funcionan las interrupciones? ¿Conoce qué son las interrupciones múltiples? ¿Sabe cuál es la función del gestor de interrupciones? si necesita aclarar estos temas puede encontrar recursos adicionales en el EVA, además puede solicitar tutoría a su profesor. Ahora es necesario que vaya al final de esta unidad y resuelva las actividades propuestas. Concluido este tema continuemos.

2.3. Estructuras de interconexión

En este apartado analizaremos las líneas que permiten la comunicación con cada uno de los módulos del computador (memoria, E/S, procesador).

Revise el texto básico capítulo 3. Perspectiva de alto nivel de Funcionamiento y de las Interconexiones del Computador en la sección 3.3. Estructuras de interconexión.

Puede apoyarse también en el recurso ocw en la Web: http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas/arquitectura-de-computadores-i/apuntes/buses

Comprendido cuáles son los componentes del computador y su funcionamiento analice los elementos de interconexión que unen los diferentes componentes de un computador. La figura 3.15 del texto básico sugiere algunos tipos de intercambios en cada módulo (CPU, E/S, memoria).

2.4. Interconexión con buses

Al bus se lo puede definir como un camino para la transferencia de información entre varios dispositivos. Compuesto por un conjunto de líneas que permiten controlar el flujo de datos entre módulos. El presente tema le ayudará a conocer cuáles son aquellas señales de órdenes que le permiten realizar operaciones de lectura, escritura y control del bus. Además se revisará la arquitectura de bus tradicional y la de altas prestaciones, así como también los elementos de diseño de un bus. A continuación revise los siguientes contenidos.

Lea el texto básico capítulo 3. Perspectiva de Alto Nivel de Funcionamiento y de las Interconexiones del computador en el apartado 3.4. Interconexión con buses.

Una vez que ha comprendido la estructura de un bus, su jerarquía y el principio de funcionamiento vuelva a revisar la figura 3.16. ¿Cuántos tipos de líneas muestra? Realice un resumen por cada tipo de línea, por ejemplo:

ÿ Las líneas de control se utilizan para controlar el acceso y el uso de las líneas del bus. Además transmiten órdenes y señales de temporización entre los módulos. Estas órdenes se pueden clasificar en:

• Operaciones a realizar: lectura, escritura, etc.• Control de transferencia: protocolo y temporización (reloj).• Arbitraje: determina qué dispositivo utiliza el bus (CPU, DMA, dispositivos E/S,...) en caso de

conflicto.

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Luego de realizado el resumen, revisemos la figura 3.18 del texto básico en donde se encuentran dos configuraciones de un bus. Analice la diferencia entre una arquitectura tradicional y una arquitectura de altas prestaciones. Para afianzar lo aprendido le invitamos a participar de la siguiente actividad.

Interactividad en el EVA: participe en el foro propuesto y comente los aportes de dos de sus compañeros. Por favor trate de crear un ambiente de discusión para el aprendizaje.

Concluida la actividad anterior ahora revisemos los elementos de diseño que proporcionan el diverso comportamiento que tienen los buses.

Los elementos de diseño de un bus

En la tabla 3.2 del texto básico encontrará los elementos de diseño de un bus. Puede basarse en un recurso abierto que explica el tema con profundidad. http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas/arquitectura-de-computadores-i/apuntes/buses. Es importante prestar atención a la figura 3.19 del texto básico para entender la cantidad de ciclos de reloj (T) que se utilizan para realizar una operación de lectura o escritura dentro de una temporización síncrona. También la figura 3.20 describe cómo se realiza las operaciones tanto de temporización síncrona como una asíncrona.

La transferencia de datos se explica en la figura 3.23 del texto básico con el ejemplo puntual de una operación de lectura de un BUS PCI. Y el arbitraje es indicado en la figura 3.25 explicando como se distribuye el uso del bus cuando dos dispositivos lo han solicitado.

¿Ha comprendido? los elementos del diseño de un bus? ¿Sabe cuáles son los tipos de arbitraje de bus?. ¿Sabe cuál es la medida de la velocidad de un bus?; recuerde utilizar los recursos adicionales del EVA y solicitar ayuda a su profesor para comprender mejor el tema. Ahora, para afianzar sus conocimientos, resuelva los ejercicios propuestos al final de esta unidad.

Para reforzar los temas relacionados con la segunda unidad le invitamos a que revise el tema “Conexión entre subsistemas”, del recurso OCW de la Universidad del País Vasco indicado en la bibliografía complementaria.

Además, a continuación presentamos un conjunto de ejercicios resueltos tomados de la sección “Problemas” del texto básico. La numeración es la misma que en el texto.

Ejercicio # 3.3. Considere un hipotético microprocesador de 32 bits cuyas instrucciones de 32 bits están compuestas por dos campos: el primer byte contiene el código de operación (codop) y los restantes un operando inmediato o una dirección de operando.

a) ¿Cuál es la máxima capacidad de memoria (en bytes) direccionable directamente?

224 = 16777216

16Megabytes

Problema Resuelto


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PRIMER BIMESTRE

b) Discuta el impacto que se produciría en la velocidad del sistema si el microprocesador tiene:

1. Un bus de dirección local de 32 bits y un bus de datos local de 16 bits, o2. Un bus de dirección local de 16 bits y un bus de datos local de 16 bits.

Entre las dos alternativas la capacidad del sistema, sería la misma ya que se cuenta con un bus de direcciones de 32 bits; pero,

Pero, en la segunda alternativa disminuirían las prestaciones del sistema ya que el bus de datos deberá realizar 2 accesos a memoria para recuperar los 32 bits.

c) ¿Cuántos bits necesita el contador de programa y el registro de instrucción?

Procesador de 32 bits

Codop Dirección de operando

8 bits 24 bits

• PC necesita una cantidad igual a una dirección de memoria es decir 24 bits

• El IR necesita los 32 bits de toda la palabra de instrucción.

Ejercicio # 3.5. Considere un microprocesador de 32 bits, con un bus externo de 16 bits, y con una entrada de reloj de 8 MHz. Asuma que el procesador tiene un ciclo de bus cuya duración mínima es igual a cuatro ciclos de reloj. ¿Cuál es la velocidad de transferencia máxima que puede sostener el microprocesador? Para incrementar sus prestaciones, ¿sería mejor hacer que su bus externo de datos sea de 32 bits o doblar la frecuencia de reloj que se suministra al microprocesador? Establezca las suposiciones que considere y explíquelo.

F = 8 MHz

T =1

=1

= 0.125 * 10-6 segundos8MHz 8*106

= 1 MHz = 106 Hz

Ciclo del bus = Tiempo del procesador Tiempo P = 4 x tiempos del sistemaTiempo procesador = 4 x 0.125 x 10-6 = 0.5 x 10-6 seg. Velocidad de transferencia

VT =16 bits

=16 bits

= 32 x 106 bits/seg.t. proces. 0.5 * 10-6 seg

A continuación presentamos un conjunto de ejercicios con el objetivo de afianzar su conocimiento. Desarrolle la actividad de autoevaluación.

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Autoevaluación 2

Parte A: preguntas objetivas:

Conteste con verdadero(V) o falso(F) a cada una de las siguiente expresiones según corresponda

1. ( ) Los registros internos del CPU son: MAR, MBR, E/S AR, E/S BR, PC, IR.

2. ( ) La CPU interpreta la instrucción de acuerdo a cuatro tipos: procesador-memoria, procesador-E/S, procesamiento de datos, control.

3. ( ) Procesador-memoria debe transferir datos desde el exterior mediante transferencias entre CPU y un módulo de E/S.

4. ( ) PC es el contador de instrucciones.

5. ( ) Desde una perspectiva de alto nivel un computador consta de procesador, memoria y unidades de E/S.

6. ( ) Un bus de sistema está constituido entre cincuenta y cien líneas.

7. ( ) La estructura de un bus está compuesta de líneas de control, dirección y datos.

8. ( ) El conjunto de líneas de datos constituye el bus de datos.

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios del tomados del texto básico; capítulo “Perspectiva de alto nivel de funcionamiento y de las interconexiones del computador”.

Ejercicio # 3.1. La máquina hipotética de la figura 3.4 (pág. 64 del libro básico) también tiene dos instrucciones de E/S.

0011= Cargar AC desde E/S0111= Almacenar AC en E/S

En estos casos, la dirección de 12 bits identifica un dispositivo concreto E/S. Muestre la ejecución del programa (utilizando el formato de la figura 3.5) para el siguiente programa:

1. Cargar AC desde el dispositivo 5.2. Sumar el contenido de la posición de memoria 940.3. Almacenar AC en el dispositivo 6.

Asuma que el siguiente valor obtenido desde el dispositivo 5 es 3 y que la posición 940 almacena el valor 2.

Ejercicio # 3.13. Un microprocesador utiliza la temporización que se muestra en la figura 3.19 del texto básico para la escritura en memoria. Su fabricante especifica que la extensión temporal de la señal de la escritura viene dada por T-50, donde T es el ciclo de reloj en nanosegundos.

a. ¿Cuál es la extensión de la señal de escritura si la frecuencia de reloj del bus es de 5 MHZ?


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PRIMER BIMESTRE

b. La hoja de características del microprocesador especifica que, tras el flanco de bajada de la señal de escritura, los datos se mantienen válidos durante 20ns. ¿Durante cuánto tiempo se mantienen válidos los datos que se van a escribir en memoria?

c. ¿Cuántos estados de espera deberían insertarse si la memoria necesita que los datos se mantengan válidos durante al menos 190 ns?

Concluida la autoevaluación: si usted alcanzó el 80% de logros puede continuar adelante. ¡Felicitaciones!; de lo contrario, se recomienda revisar nuevamente la temática para tener una mayor comprensión. ¡Ánimo, inténtelo de nuevo!.


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Unidad 3: Memoria caché

Esta unidad se inicia con la descripción de la jerarquía de memoria. Como se menciona al inicio del capítulo del texto básico, los registros conjuntamente con la memoria caché son los que se encuentran en los niveles superiores. Estas memorias internas del computador son muy veloces, responsables de satisfacer las necesidades de datos del procesador, pero son pequeñas, lo cual hace que con frecuencia se realicen procesos de actualización. Es importante tener en cuenta un diseño de la memoria caché lo suficientemente óptimo

para satisfacer los requerimientos de procesador. La presente unidad nos revela cuáles son estas consideraciones.

Para entender mejor esta unidad se recomienda una lectura comprensiva de cada una de los temas. Además, deténgase en las figuras y analice completamente el mecanismo de funcionamiento. Así mismo utilice los recursos adicionales del EVA y los recursos ocw para una mejor compresión.

Al finalizar esta unidad encontrará ejercicios resueltos y una sección de ejercicios propuestos para que verifique su proceso de enseñanza aprendizaje.

3.1. Conceptos básicos sobre sistemas de memoria

El sistema de memoria ha sido uno de los componentes más críticos dentro del diseño de un computador. La necesidad de una alta capacidad de almacenamiento con bajo tiempo de acceso es uno de los principales problemas a resolver en este tema. A continuación revisemos las características de los sistemas de memoria.

Revise el texto básico en el capítulo de “Memoria caché”, sección 4.1. Conceptos básicos sobre sistemas de memoria de computadores.

Revisado el texto básico, preste atención a las características claves de la memoria en la tabla 4.1. Realice una lectura de las características de los sistemas de memoria y defina con sus palabras cada uno de los conceptos de la tabla.

¿Ha definido los conceptos de la tabla 4.1?, ¿cuántos bits puede tener una palabra?, ¿sabe qué es una unidad direccionable?, ¿puede describir como se mide la velocidad de transferencia?, ¿sabe lo que significa bps, Kbps, Mbps? Entonces puede revisar ahora la “Jerarquía de memoria”.

Observe la ilustración 3.1 de esta guía. Desde los niveles superiores a los niveles inferiores se dan las características que se muestran en la parte derecha de la ilustración. Mientras una memoria se aproxime a los niveles inferiores de la jerarquía existirá un menor costo por bit, una mayor capacidad, un mayor tiempo de acceso (memoria más lenta) y un acceso poco frecuente. Lo contrario sucede en los niveles superiores de la memoria.


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PRIMER BIMESTRE

Ilustración 3.1. Jerarquía de la memoria caché.

El ejemplo 4.1 del texto básico, muestra los diferentes tiempos de acceso entre algunos niveles de memoria. También se encuentra la tasa de aciertos H, que se define como “la fracción del total de acceso a memoria encontrados en la memoria más rápida”. Para este ejemplo la caché tiene un 95 por ciento de los accesos a memoria (H1=0,95) y un 5 por ciento en el nivel 2 (H2=0,05). Lea una y otra vez el ejercicio hasta que entienda como puede obtener la tasa de aciertos.

¿Ha logrado obtener la tasa de aciertos del problema anterior? ¿Obtenga la tasa de aciertos del problema 4.18? Al finalizar esta unidad encontrará ejercicios propuestos. Siguiendo con el estudio de esta unidad se estudiará los “Principios básicos de las memorias caché”.

3.2. Principios básicos de las memorias caché

Uno de los problemas de los sistemas de memoria es el tiempo de acceso. Para aquellas memorias grandes el tiempo de acceso aumenta, por lo que debemos utilizar pequeñas memorias intermedias que permitan agilitar la extracción de datos de memoria. La caché cumple con esta función y este tema lo detallamos a continuación.

Lea el texto básico en el capítulo de “Memoria caché”, la sección 4.2. Principios básicos de las memorias. Recomendamos analizar todas las gráficas de esta sección y comprender cada uno de los ejemplos.

La figura 4.3 muestra la posición de la caché con referencia al procesador y la memoria. La memoria caché tiene algunas características descritas en la figura 4.4. En el literal a se encuentra el número de línea, etiqueta, bloque, longitud de bloque; y en el literal b se encuentra la dirección de memoria, el bloque (K palabras) y la longitud de palabra. En ambos casos podemos ver que tanto la memoria caché como la memoria principal tiene un número finito de líneas y bloques.

A continuación la ilustración 3.2 muestra los conceptos relacionados entre la CPU, caché y memoria principal.

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Ilustración 3.2. Principios de la memoria caché (imagen extraída de Aylagas (2007).

La figura 4.5 ilustra un diagrama para una operación de lectura. Observe que si la dirección RA no es encontrada en la caché ésta es buscada en memoria principal y luego cargada en una línea de caché.

Si ha entendido los principios básicos de la caché es momento de estudiar los elementos de diseño de la caché

3.3. Elementos de diseño de una caché

En esta sección se estudian algunos criterios básicos para arquitecturas de la caché. Entre los más importantes tenemos: el tamaño de la caché, la función de correspondencia, los algoritmos de sustitución, las políticas de escritura, el tamaño de línea y el número de cachés. A continuación revisemos cómo se desglosa cada uno de ellos.

Revise el texto básico en el capítulo de “Memoria caché”, sección 4.2. Los elementos de diseño de una caché. Puede apoyarse también en el recurso ocw este link en la Web: http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas/arquitectura-de-computadores-i/apuntes/cache

Los elementos de diseño de la caché se muestran en la tabla 4.2. dentro de estos elementos encontramos las funciones de correspondencia, que responden a la pregunta: ¿en qué línea de caché se coloca cada bloque? (ver ilustración 3.3). Por supuesto no descuide todos los otros elementos dentro del diseño de la caché.

Ilustración 3.3. Funciones de correspondencia (imagen extraída de Aylagas (2007).


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PRIMER BIMESTRE

El autor del texto básico inicia la explicación de los tres tipos de funciones de correspondencia mediante el ejemplo 4.2.

Correspondencia directa

La correspondencia directa hace referencia a que un bloque de memoria se almacenará en solo una línea de caché si existe un fallo. En una línea de caché pueden ir varios bloques de memoria pero solo uno a la vez y estos bloques siempre se almacenarán en la misma línea. Observemos la ilustración 3.4 que explica cómo se trabaja con la correspondencia directa, donde cada bloque (de memoria principal) solo puede ir en una línea de memoria caché.

Ilustración 3.4. Correspondencia directa(imagen extraída de Sutter 2008).

La figura 4.7 del texto básico indica la organización de la caché con correspondencia directa. El formato es mostrado en la figura 4.8 en base al ejemplo 4.2a del texto básico. Se sugiere tener en cuenta que los números representados en las gráficas son hexadecimales y cada uno está representado por 4 binarios (ejemplo FFF8=1111 11111 1111 1000). A continuación presentamos un resumen del formato de instrucción en correspondencia directa.

Ilustración 3.5. Formato de la dirección de memoria principal para correspondencia directa.

Correspondencia totalmente asociativa

A diferencia de la correspondencia directa, la correspondencia asociativa no tiene restricción para los bloques en las líneas de la caché, es decir un bloque puede ir en cualquier línea de una caché. Por supuesto esta es una implementación sencilla, pero implica la utilización de algoritmos de sustitución. Observemos la figura 4.9 que muestra la organización de la caché con correspondencia totalmente asociativa. Al igual que la correspondencia anterior el ejemplo 4.2b explica lo que sucede en la figura 4.10.

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La ilustración 3.6 muestra una explicación gráfica de la correspondencia totalmente asociativa. Esta correspondencia permite almacenar cualquier bloque de memoria principal en cualquier línea de memoria caché.

Ilustración 3.6. Correspondencia totalmente asociativa (imagen extraída de Sutter (2008).

A continuación presentamos el formato de la dirección también mostrado en la figura 4.10:

Ilustración 3.7. Formato de dirección correspondencia totalmente asociativa.

Correspondencia asociativa por conjuntos

El mecanismo de funcionamiento se describe en la figura 4.11 y su mecanismo en la figura 4.123. A continuación mostramos la ilustración 3.8 que explica gráficamente el mecanismo de la correspondencia por conjuntos. Se puede observar que al conjunto se lo trata como una línea en correspondencia directa, pero a su vez está compuesto por líneas que son tratadas como correspondencia asociativa.

Ilustración 3.8. Correspondencia asociativa por conjuntos. (imagen extraída de Sutter (2008).

Algoritmos de sustitución

Los algoritmos de sustitución son utilizados para introducir nuevos bloques en la memoria caché cuando esta ya se encuentra llena. Solamente se aplica para las técnicas asociativas.

Para reforzar el tema de los algoritmos de sustitución revise el tema “Políticas de sustitución” del recurso en línea de Aylagas(2007), indicado en la bibliografía complementaria.

3 Observe que en el Formato de dirección existe una errata . El Formato correcto es Etiqueta+Conjunto+Palabra. Y no etiqueta +Línea +Palabra.


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PRIMER BIMESTRE

Políticas de escritura

Las políticas de escritura son aquellas que reemplazan un bloque cuando este ha sido modificado por el procesador. Existen dos tipos la escritura inmediata y la postescritura.

Para reforzar el tema de los algoritmos de sustitución revise el tema “Políticas de escritura” del recurso en línea de Aylagas(2007), indicado en la bibliografía complementaria.

Tamaño de línea y número de caché

Otras cuestiones importante es: el tamaño de línea y el número de caché. Para entender los criterios de implementación revise el texto básico en el tema tamaño de línea y número de caché.

Una vez comprendidos los temas anteriores responda a las siguientes preguntas. ¿puede definir cuáles son los elementos de diseño de la caché?, ¿cuáles son las desventajas de la correspondencia directa?, ¿Ccáles son las ventajas de la correspondencia asociativa por conjunto en relación con la directa y asociativa?, ¿qué tan grande debe ser una línea de caché?, ¿cuántos niveles de caché aconsejaría? Algunas de las respuestas dependerán de la perspectiva del arquitecto computacional en base a la problemática que se pretenda resolver. Sin embargo, en la mayoría de sistemas de memoria se utiliza como función de correspondencia la asociativa por conjuntos. Ahora bien, ha terminado de revisar los contenidos de la unidad 3. Puede resolver los problemas propuestos.


A continuación presentamos un conjunto de ejercicios resueltos tomados de la sección “Problemas” del texto básico. La numeración es la misma que la de el texto.

Ejercicio # 4.1. Una caché asociativa por conjuntos consta de 64 líneas divididas en conjuntos de 4 líneas. La memoria principal contiene 4K bloques de 128 palabras cada uno. Muestre el formato de direcciones de memoria principal.

Datos:

1. Una caché de 64 líneas / conjuntos de 4 líneas = 16 conjuntos = 24

2. Cada bloque es igual a: 128 palabras, donde 128 = 27

3. Tenemos 128 palabras por cada 4k bloques:

128 / 4 = 32 bloques en la memoria principal, es decir 212

8 4 7etiqueta Nro. línea palabra

Ejercicio # 4.8. Considere una máquina con una memoria principal de 216 bytes, direccionables por bytes, y un tamaño de bloque de 8 bytes. Suponga que con esta máquina se utiliza una caché de 32 líneas y correspondencia directa.

Problema Resuelto

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a) ¿Cómo se divide la dirección de memoria de 16 bits entre etiqueta, número de líneas y número de bytes?

Datos del problema:Tamaño memoria principal(MP) = 216 bytes Tamaño de bloque = 8 bytes Número de líneas de caché = 32 líneas Número de bits necesarios para direccionar 32 líneas = 25 à r = 5

8 5 3

etiqueta nro. línea palabra

Cantidad de bits para direccionar 216/8 bloques, Bloques MP = 216 /23 = 213 , es decir s = 13 Entonces la etiqueta es igual a s – r13 – 5 = 8

b) ¿En qué líneas se almacenarían los bytes que se encuentran en las siguientes direcciones?

Para esto debemos basarnos en el formato de dirección y dividir la cantidad de bits en cada una de las secciones etiqueta, línea y palabra. Luego se transforma el número binario a decimal para conocer el número de la línea

0001 0001 0001 1011etiqueta: 0001 0001línea: 00011 línea 3palabra: 011




c) Suponga que se almacena en la caché el byte de dirección 0001 1010 0001 1010. ¿Cuáles son las direcciones de los bytes que se almacenan junto con éste.

etiqueta: 0001 1010línea: 00011palabra: 010

Junto con el byte de esta dirección se almacenarán todos los bytes que estén en el mismo bloque, o sea los que se encuentren en las direcciones:

0001 1010 0001 1xxx


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PRIMER BIMESTRE

Autoevaluación 3

Ha concluido el estudio de la tercera unidad. Ahora le invitamos a desarrollar la siguiente actividad de autoevaluación para afianzar los conocimientos adquiridos.


Conteste con verdadero(V) o falso(F) a cada una de las siguiente expresiones, según corresponda:

1. ( ) En una memoria caché las políticas de escritura razonable es la escritura diferida con asignación (de bloque en caché).

2. ( ) El espacio de la memoria caché esta dividido en líneas.

3. ( ) La fórmula de longitud de las direcciones es = (s+w) bits.

4. ( ) Los tres tipos de correspondencia son directa, asociativa y asociativa por conjuntos.

5. ( ) La fórmula de tamaño de etiqueta de correspondencia directa es (s-r)bits.

6. ( ) Los números de caché son: uno o dos niveles y unificada o partida.

7. ( ) El tiempo de ciclo de memoria es el tiempo de acceso y tiempo más que se requiera antes de iniciar un segundo acceso a memoria.

8. ( ) Velocidad de transferencia es la velocidad con que se puede transferir datos a o desde una unidad de memoria.

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios de este capítulo tomados del texto básico: Memoria caché.

Ejercicio # 4.2. Un caché asociativa por conjuntos de dos vías tiene líneas de 16 bytes y una capacidad de total de 8KB. La memoria principal, de 64 MB, es direccionable por bytes. Muestre el formato de las direcciones de memoria principal.

Ejercicio # 4.21. Considere una caché de un solo nivel, con un tiempo de acceso de 2,5 ns, un tamaño de línea de 64 bytes y una tasa de aciertos H= 0,95. La memoria principal usa la capacidad de transferencia en bloques, con un tiempo de acceso de 50 ns para la primera palabra (4bytes ), y de 5ns para cada una de las siguientes.

a) ¿Qué valor tiene el tiempo de acceso cuando hay un fallo de caché? Suponga que la caché espera hasta que la línea ha sido captada de memoria principal, para entonces ejecutar un acierto de caché.

Al final de esta guía encontrará una sección de solucionario en donde encontrará las respuestas de esta autoevaluación. Si usted alcanzó el 80% de logros puede continuar adelante. ¡Felicitaciones!; de lo contrario, se recomienda revisar nuevamente la temática para tener una mayor comprensión. ¡Ánimo, inténtelo de nuevo!

Revise sus respuestas en el Solucionario que se encuentra al final de la presente

guía didáctica. Ir a solucionario

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Guía didáctica: Arquitectura de ComputadoresSEGUNDO BIMESTRE

SEGUNDO BIMESTRE

7.4. Planificación para el trabajo del alumno






Comprende, analiza y resuelve problemas aplicando los métodos de la ciencia y la ingeniería.

Localiza la estructura de los módulos de entrada y salida.

Identifica las técnicas para operaciones de entradas/salIda.

UNIDAD 4: ENTRADA Y SALIDA

4.1. Dispositivos externos

4.2. Módulos de E/S

4.3. E/S programada

4.4. E/S mediante interrupciones

• Inicie el segundo bimestre con la lectura del capítulo 7, sección 7.1, 7.2, 7.3. Luego conteste los interrogantes propuestas de la guía.

• Participe en el foro del EVA con la temática propuesta por el profesor.

• Revise los problemas resueltos en la guía de estudios de la cuarta unidad.

• Desarrolle la actividad de autoevaluación de la unidad 4.

• Empiece con la resolución de las evaluación a distancia correspondiente al segundo bimestre.

Semana 1 y 2 :



Aplica la lógica matemática en el contexto de las ciencias de la computación, con proyección al diseño de circuitos, programación, análisis y desarrollo de algoritmos.

Resuelve manualmente operaciones aritméticas y lógicas de la ALU.

Normaliza números de coma flotante en el sistema binario.

UNIDAD 5: ARITMÉTICA DEL COMPUTADOR

5.1. La unidad aritmético-lógica

5.2. Representación de enteros

5.3. Aritmética con enteros

5.4. Representación en coma flotante

• Revise los contenidos del capítulo 9 del texto básico, sección 9.1, 9.2, 9.3, 9.4. Luego conteste las interrogantes propuestas de la guía.


• Revise los problemas resueltos en la guía de estudios de la quinta unidad.

• Afine sus conocimientos en el desarrollo de la autoevaluación de la unidad 5.

• Continúe la resolución de la evaluación a distancia del segundo bimestre.

Semana 3 y 4:




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SEGUNDO BIMESTRE






Utiliza los registros de control y estado para resolver problemas.Identifica las estrategias de segmentación para la optimización de recursos.

UNIDAD 6: ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DEL PROCESADOR

6.1. Organización del procesador

6.2. Organización de los registros

6.3. Ciclo de instrucción

6.4. Segmentación de instrucciones.

• Continúe con la lectura del capítulo 12 del texto básico, sección 12.1, 12.2, 12.3, 12.4. Posteriormente conteste las interrogantes propuestas de la guía.


• Revise los problemas resueltos en la guía de estudios de la sexta unidad.

• Mejore sus conocimientos con el desarrollo de la autoevaluación de la unidad 6.

• Finalice la resolución de la evaluación a distancia del segundo bimestre.

Semana 5 y 6:



Unidades de la 4 a la 6 • Revise los contenidos de las autoevaluaciones y evaluación a distancia como preparación para la evaluación presencial correspondiente al segundo bimestre.

Semana 7 y 8:



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7.5. Orientaciones específicas para el aprendizaje por competencias

Unidad 4: Entrada y salida (E/S)

Al ser la arquitectura de E/S la interfaz con el exterior del computador, esta unidad permitirá comprender la importancia de la comunicación de los dispositivos internos con los dispositivos externos. En el texto básico encontraremos los contenidos en el capítulo 7: “Entrada/Salida”. En este capítulo se identifica la E/S según los dispositivos internos y externos. Además se analiza la metodología para controlar las interacciones con el exterior proporcionando así información al sistema operativo para gestionar la actividad de E/S. También se revisa los métodos de E/S y los diferentes tipos de interfaces.

La ilustración 4.1 nos recuerda la ubicación de los módulos que permiten la conexión con dispositivos tanto internos como con dispositivos externos. Lo que estudiaremos son los controladores que permiten la comunicación.

Ilustración 4.1. Representación del Bus del sistema y los módulos de E/S. (Imagen extraida de Aylagas(2007).

Antes de empezar la lectura del texto básico, revise el contenido OCW http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas/arquitectura-de-computadores-i/apuntes/entrada_salida, el cual le proporcionará una visión general del tema.

A continuación describiremos los detalles de los dispositivos externos como internos.

4.1. Dispositivos externos

Los dispositivos de E/S se utilizan tanto para el ingreso de datos al procesador como también para la visualización de los resultados. Analicemos a continuación las categorías de los dispositivos externos.


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SEGUNDO BIMESTRE

Analice los dispositivos externos en el texto básico, capítulo 7 de Entrada/Salida, en la sección 7.1.

Esta actividad revela el diagrama de bloques de un dispositivo externo (figura 7.2). Observe cómo el transductor se encarga de convertir las señales eléctricas asociadas a un dato a señales de salida, como por ejemplo presentar una letra en la pantalla.

En la tabla 7.1 muestra el carácter asociado a un código binario de 7 bits conocido como ASCII, este código es generalmente utilizado en la transmisión de datos de TECLADO/MONITOR. Los caracteres representados en la tabla 7.2, caracteres especiales utilizados como control para comunicación con el módulo de E/S.

4.2. Módulos de E/S

Un módulo E/S se define como un elemento que permite que los dispositivos externos se comuniquen con el resto de elementos del sistema. Un dispositivo externo conectado a un módulo de E/S se denomina dispositivo periférico o simplemente periférico. A continuación revisemos en profundidad estos conceptos.

Revise el texto básico en el capítulo de Entrada/Salida, en la sección 7. 2. Módulo de E/S.

Los módulos de E/S también conocidos como controladores tienen la función de controlar, comunicar, almacenar datos y detectar errores en la comunicación con el procesador. Los controladores agrupan dispositivos del mismo tipo por ejemplo existirán controladores para manejar impresoras, monitores y otros para manejar el acceso de red. La ilustración 4.2 muestra una estructura general de diagramas de bloques de un controlador.

Ilustración 4.2. Estructura de un módulo de E/S. (imagen extrada de Aylagas(2007).

Con la figura 7.3 y las ilustraciones anteriores, ¿puede identificar cada uno de los bloques de un módulo de E/S?. Si necesita aclarar estos temas puede encontrar recursos adicionales en el EVA, además de poder solicitar tutoría a su profesor. Ahora es necesario que vaya al final de esta unidad y resuelva las actividades propuestas.

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Para controlar la recepción y envío de datos entre los dispositivos externos y el CPU se debe implementar un mecanismo para controlar este proceso. Abordemos ahora las técnicas para estas operaciones de E/S.

El texto básico describe dos técnicas para estas operaciones:

- La E/S programada

- La E/S mediante interrupciones

A continuación revisemos cada una de estas.

4.3. E/S programada

Es una forma sencilla de realizar operaciones de E/S. Consiste en un conjunto de instrucciones donde el CPU pregunta al dispositivo si está listo para recibir información mediante un programa. Revisemos en el texto básico este tema.

Aprenda cómo trabaja la E/S programada. Lea el capítulo 7, apartado 7.3.

La ilustración 4.4 indica un fragmento de programa que se dedica a leer caracteres de teclado y hacer el respectivo eco en la pantalla. La CPU tiene el control absoluto de la operación de E/S: inicia y lleva a cabo la transferencia. Además realiza la comprobación de estado y la inicialización.

repeat repeat Dato= Leer (Reg_Datos_Teclado); until Dato / = 0; repeat Estado := Leer (Reg_Estado_Pantalla); until = Estado = Preparado; Escribir (Dato, Reg_Datos_Pantalla);until false;

Ilustración 4.4. Ejemplo de instrucciones para en E/S programada (Aylagas(2007).

Uno de los problemas de esta implementación es que si un periférico requiere atención urgente debe esperar a que el programa llegue a la secuencia de instrucciones para atenderlo. Para resolver este problema estudiemos la E/S mediante interrupciones.

4.4. E/S mediante interrupciones

El manejo de los dispositivos con interrupciones permite que la CPU pueda realizar otras tareas mientras espera a que el dispositivo esté preparado. Esto se consigue haciendo que el dispositivo emita señales al procesador para llamar la atención. Revisemos el texto básico para conocer a profundidad como trabajan las interrupciones.

Analice la E/S mediante interrupciones en el capítulo 7 del texto básico “Entrada/Salida”, en la sección 7.4


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SEGUNDO BIMESTRE

Observemos la siguiente ilustración donde se identifica la relación de la CPU con cada uno de los dispositivos en la E/S mediante interrupciones.

Ilustración 4.5. Esquema E/S mediante interrupciones (Aylagas (2007)

¿Indique la diferencia entre la E/S programada y la E/S mediante interrupciones, ¿Cuáles son las cuestiones de diseño en la E/S mediante interrupciones? Si necesita aclarar estos temas puede encontrar recursos adicionales en el EVA, además solicite tutoría a su profesor. Ahora es necesario que vaya al final de esta unidad y resuelva las actividades propuestas.

4.5. Acceso directo a memoria (DMA)

Tanto en la E/S programada como en la E/S con interrupciones, el procesador es el encargado de almacenar los datos en memoria desde un dispositivo externo así como también de extraer los datos desde la memoria y enviarlos a un dispositivo externo. Una alternativa a este proceso se conoce como DMA. Revisemos el texto básico para profundizar el tema.

Revise el texto básico en el capítulo de Entrada/Salida, la sección 7.5: Acceso Directo a memoria

Como se menciona la sección 7.5, existen dos inconvenientes al utilizar el E/S programada o E/S mediante interrupciones. El primero relacionado con la velocidad de transferencia y el segundo con la gestión de esta transferencia. Para corregir en parte estos problemas una técnica más eficiente es la DMA. En la figura 7.11 se observa un diagrama con los bloques de un módulo DMA cuya función principal es hacerse cargo de la transferencia de datos para evitar que el procesador desperdicie su tiempo en esta tarea.

Ahora con la figura 7.11 describa cada una de las líneas que van desde y hacia el módulo DMA.

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Interactividad en el entorno: Participe en el foro propuesto y comente los aportes de dos de sus compañeros. Por favor trate de crear un ambiente de discusión para el aprendizaje.

A continuación presentamos un conjunto de ejercicios resueltos tomados de la sección Problemas del texto básico. La numeración es la misma que en el texto.

Ejercicio # 7.1. En un microprocesador típico, se utiliza una dirección de E/S para hacer referencia a los registros de datos de E/S y otra dirección distinta para los registros de estado y control del controlador de E/S del dispositivo correspondiente. Estos registros se denominan puertos. En el 8088 de Intel se utilizan dos formatos de instrucción. En un formato, un código de operación de ocho bits especifica la operación de E/S, seguido de ocho bits para la dirección del puerto. En los otros códigos de operación de E/S, Ia dirección del puerto se encuentra en el registro de 16 bits DX. ¿Cuántos puertos puede direccionar el 8088 en cada uno de los modos de direccionamiento de E/S?

En el modo de formato (codop + 8 bits para dirección del puerto) se puede direccionar hasta 256 puertos. ( 28 ).

En el formato donde la dirección se encuentra dentro de los 16 bits se puede direccionar hasta 216 puertos ( 64 K ).

Ejercicio # 7.6. En el caso de la E/S programada, la figura 7.5 pone de manifiesto que el procesador se encuentra en un bucle de espera comprobando el estado del dispositivo de E/S. Para incrementar la eficiencia, se podría hacer el software de E/S de forma que se comprobase el estado del dispositivo periódicamente. Si el dispositivo no está preparado, el procesador podría pasar a realizar otras tareas. Después de un cierto intervalo, el procesador volvería a comprobar el estado nuevamente.

(a) Considere el esquema anterior para enviar un carácter en cada operación de salida a una impresora de diez caracteres por segundo (cps), ¿Qué pasaría si su estado se comprobase cada 200 ms?

La impresión se efectuaría a solo 5 caracteres por segundo.

(b) A continuación, considere un teclado con un buffer para un solo carácter. En promedio, los caracteres se introducen a una velocidad de 10 cps. Sin embargo, el tiempo entre dos pulsaciones de tecla consecutivas puede ser de solo 60 ms. ¿Con qué frecuencia debería el programa de E/S comprobar el teclado?

Se debe comprobar cada 60 ms para evitar que los caracteres se sobreescriban en el buffer debido a la velocidad de las pulsaciones.

Problema Resuelto


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SEGUNDO BIMESTRE

Autoevaluación 4

Ha finalizado el estudio de la cuarta unidad. Ahora le invitamos a desarrollar la siguiente actividad de autoevaluación para mejorar los conocimientos adquiridos.

Parte A: preguntas objetivas

Conteste con verdadero (V) o falso (F) a cada una de las siguiente expresiones, según corresponda:

1. ( ) Los dispositivos externos se pueden clasificar en: interacción con humanos, con máquinas y de comunicación.

2. ( ) La decodificación de órdenes se envían utilizando las líneas del bus de datos.

3. ( ) Una de las principales funciones de módulo de E/S es la detección de errores .

4. ( ) Las órdenes de E/S son control, test, lectura, escritura .

5. ( ) PSW significa palabra de estado del programa.

6. ( ) Firewire utiliza conexión en cadena (daisy chain ).

7. ( ) Configuración en cadena Daisy chain conecta hasta 63 dispositivos.

8. ( ) Adaptadores bridges en Firewire pueden tener interconexiones de hasta 1022 buses

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios tomados del texto básico; capítulo “Entrada/Salida”.

Ejercicio # 7.2. En la familia de microprocesadores Z8000 de Ziglog se utiliza un formato de instrucción similar. En este caso es posible realizar un direccionamiento directo de los puertos utilizando una dirección de 16 bits que forma parte de la instrucción, y también un direccionamiento indirecto, al incorporar la instrucción una referencia a uno de los 16 registros de propósito general que contiene la dirección del puerto. ¿Cuántos puertos pueden designar el Z8000 en cada uno de los modos de direccionamiento de E/S?

Ejercicio # 7.7. Un microprocesador comprueba el estado de un dispositivo de salida de 20ms. Esto se lleva a cabo mediante un temporizador que avisa al procesador cada 20 ms. La interfaz del dispositivo tiene dos puertos: uno para el estado y otro para el dato de salida. ¿Cuánto se tarda en comprobar el estado y atender al dispositivo si la frecuencia de reloj es de 8 MHz? Por simplicidad, considere que todas las instrucciones que intervienen tardan doce ciclos de reloj.

Concluida la autoevaluación; si usted alcanzó el 80% de logros puede continuar adelante. ¡Felicitaciones!; de lo contrario, se recomienda revisar nuevamente la temática para tener una mayor comprensión. ¡Ánimo, inténtelo de nuevo!.


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Unidad 5: Aritmética del computador

Luego de haber analizado la estructura del computador y sus interconexiones, es momento de examinar la unidad aritmética y lógica del computador. Recordemos que la unidad aritmética lógica (UAL) es la encargada de realizar operaciones matemáticas y lógicas. Internamente está conformada por un conjunto de integrados que de acuerdo a un grupro de bits de entrada, esta realiza diferentes operaciones. El texto básico hace referencia a esta unidad en el capítulo 9. De este revisaremos las cuatro primeras secciones.

En esta unidad se recomienda una lectura comprensiva de los temas. Además deténgase en figuras y comprenda el mecanismo de funcionamiento. También utilice los recursos adicionales del EVA y los recursos OCW para una mejor comprensión.

Al finalizar esta unidad encontrará ejercicios resueltos y una sección de ejercicios propuestos para su proceso de enseñanza aprendizaje.

5.1. La unidad aritmético-lógica

La visión general de cómo está interconecta la ALU dentro del procesador se revisará en esta sección. Iniciemos con la lectura del texto básico.

Inicie el estudio de la unidad con la lectura del capítulo Aritmética del computador, en la sección 9.1. La unidad aritmética lógica.

Observe en la figura 9.1 que la unidad de control da las órdenes para que la ALU realice las operaciones.

Después de esta actividad, ya estará en la capacidad de explicar en términos generales cómo la unidad aritmético lógica se interconecta con el resto del procesador. Comprendida esta temática, continuemos.

5.2. Representación de enteros

Las representaciones tanto de signo magnitud como en complemento permiten la transformación de un número binario a un número decimal. En la siguiente actividad revisará el problema de la representación signo magnitud.

Lea en el texto básico el capítulo Aritmética del computador, sección 9.2. Representación de enteros. Además recomendamos revisar el apéndice A del capítulo 9 con el fin de que repase los sistemas de numeración.

Si ha realizado una lectura comprensiva, descubrirá que el problema de signo magnitud es que cuenta con dos números cero (+=0, -0), problema que es resuelto en la representación complemento A2. Ahora la mayoría de computadores trabaja con A2. A continuación se indica las fórmulas de cada representación.


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SEGUNDO BIMESTRE

Representación signo–magnitud

Si an-1=0

Si an-1=1

Representación complemento A2

¿Ha comprendido las fórmulas anteriormente presentadas? Observe que en la representación signo magnitud existe una fórmula para los números positivos y otra para los negativos; y en la representación complemento A2 solo una fórmula para ambos números. Ahora, transforme de binario a decimal el siguiente número de 12 bits 10010110111 utilizando cada una de las fórmulas. ¿Qué valor tiene an-1?, ¿si tiene que convertir este número a uno de 24 bits qué consideraciones debe tomar en cuenta? ¿a qué se denomina representación en coma fija? Recuerda utilizar los recursos adicionales del EVA y solicitar ayuda a su profesor para comprender mejor los temas.

5.3. Aritmética con enteros

Realice una lectura comprensiva, del texto básico el capítulo 9 de Aritmética del computador, la sección 9.3. Aritmética con enteros.

Luego de realizar la actividad podrá identificar cinco operaciones que se realizan con números binarios enteros: negación, suma, resta, multiplicación y división. Deténgase en los siguientes casos:

1. ¿Por qué al realizar el complemento a dos del cero(0) nos da como resultado cero(0)? 2. ¿Por qué al aplicarle al -128 el complemento a dos nos da el mismo número? La figura 9.5 del

texto básico en el literal a explica lo sucedido.

Cuando se realiza una suma o una resta usted puede tener un desbordamiento. La figura 9.3 y la figura 9.4 muestran las condiciones necesarias en los operandos para que se suscite este caso.

El proceso de multiplicación en los computadores se hace mediante complemento a dos. Como explica el texto básico la multiplicación directa no es adecuada si el multiplicando o el multiplicador son negativos. Para realizar el proceso correctamente se utiliza el algoritmo de both. En la figura 9.12 del texto básico encontramos un flujograma con los pasos a seguir para realizar la multiplicación. El siguiente ejemplo explica cómo se va dando cada uno de los valores de la figura 9.13.

Ejemplo 5.1

Objetivo: multiplicar 7X3 (0111 x 0011).

Consideraciones:

• Recuerde que tanto el multiplicando (M), como el multiplicador (Q) tienen 4 bits; por lo tanto el número de ciclos a repetir será cuatro.

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• A es un registro igual al número de bits de Q o M, en este caso 4 bits.

• Q-1 solo tiene un solo bit.

• Ahora siguiendo la primera parte del algoritmo de la figura 9.12 del texto básico:

Inicialización: primero ubicar en cero los registro Q-1 y A:

A Q Q-1 M DESCRIPCIÓN CICLOS

0000 0011 0 0111 Valores iniciales

Primer ciclo:

• Se llega a la condicionante (Qo ,Q-1 ). Aquí Qo es el bit que se encuentra más a la derecha de Q (0011) Qo=1.

• Entonces el par (Qo ,Q-1 ) =(10) y de acuerdo al algoritmo el proceso continúa por la izquierda.

• De lo anterior, podemos decir que la operación a realizarse es Aß A-M. Para esto se obtiene -M (o lo que es igual al complemento a dos de M) –M=1001. Luego sumamos A=0000 y (-M)=1001. El resultado lo almacenamos en A. Por consiguiente A=1001


1001 0011 0 0111 A ← A-M Primer ciclo

• Siguiendo el algoritmo se debe realizar un desplazamiento aritmético a derecha. Esto consiste en desplazar todos los bits de A hacia la derecha pero conservando el bit más significativo A= 1100. El bit 1 que se encontraba más a la derecha de A ahora forma parte de Q como su bit más significativo y todo se desplaza hacia la derecha Q=1001. El bit 1 que se encontraba más a la derecha de Q ahora forma parte de Q-1=1. El valor anterior de Q-1 se lo desecha. Entonces el cuadro nos queda de la siguiente manera:


1001 0011 0 0111 A ← A-MPrimer ciclo

1100 1001 1 0111 Desplazamiento

• Observe que el valor de M no se mueve, este se mantiene durante todo el proceso.

Como aún faltan tres ciclos por completar se repite nuevamente el proceso desde la condición.

Segundo ciclo:

• Como Qo ,Q-1 ahora tiene el valor de (1,1) solo se realiza el desplazamiento (El proceso va por el centro del algoritmo).


1110 0100 1 0111 Desplazamiento Primer ciclo


52

SEGUNDO BIMESTRE

• Nuevamente se repite el proceso desde el condicionante hasta que completen cuatro ciclos.

De esta manera el resultado se encuentra al unir los bits de A y Q en un nuevo registro de 8 bits.

¿Ha entendido el proceso para realizar el algoritmo de both? Entonces ahora puede analizar la división utilizando el mismo razonamiento. Recuerde utilizar los recursos adicionales del EVA y solicitar ayuda a tu profesor para comprender mejor los temas.

5.4. Representación en coma flotante

La desventaja que tiene la notación de coma fija es el rango de números que se puede representar. Si utilizamos la notación de coma flotante podemos representar un rango de número muy grandes y muy pequeños con solo unos cuantos dígitos. Analicemos cómo se puede representar números en coma flotante en la siguiente actividad.

Lea comprensivamente el texto básico, el capítulo de Aritmética del computador, la sección 9.4. Representación en coma flotante.

Luego de la lectura es importante que recuerde tres partes importantes en la representación de un número de coma flotante:

1. El signo.

2. La parte significativa.

3. El exponente (representada en forma sesgada).

A continuación mostramos un ejemplo de cómo se realiza la transformación de un decimal a un binario en su forma de representación de coma flotante.

Ejemplo 5.2

Objetivo: expresar en formato de coma flotante -1,5.

Consideraciones: para este problema vamos a utilizar un formato típico de 32 bits.

Signo Exponente Parte significativa

1 bit 8 bits 23 bits

Primer paso: convertir el número decimal en binario.

• Procedemos a convertir el numero -1,5 en binario. La parte izquierda del número en binario es 1.

La parte decimal o derecha del numero es 0,1. Por lo tanto el número -1,5 en binario es -1,1.

Segundo paso: normalizar el número.

• El número normalizado en base 2 debe tener la siguiente forma ±0,1bbb…bX 2+/-E:

-1,1 normalizado es -0,11 X 21

53


Tercer paso: obtener exponente sesgado.

• Para este proceso se suma 127 al exponente original para almacenarlo en el campo de exponente:

127+1=128 ó 01111111(127)+00000001(1)=10000000(128)


1 10000000


Cuarto paso: asignar la parte significativa.

• El primer bit 1 no se lo toma en cuenta puesto que siempre existirá un 0,1. El resto de espacios se completa con 0.


1 10000000 10000000000000000000000


El proceso para convertir de binario con representación de coma flotante es el inverso de lo anteriormente descrito.

¿Si ha entendido el proceso de conversión de decimal a binario con representación de coma flotante, realice la conversión de binario a decimal de 1,68? Recuerde utilizar los recursos adicionales del EVA y solicitar ayuda a su profesor para comprender mejor los temas.


A continuación presentamos un conjunto de ejercicios resueltos tomados de la sección “Problemas” del texto básico. La numeración es la misma que la del texto.

Problema Resuelto

Ejercicio 9.15. Use el algoritmo de Booth para multiplicar 23 (multiplicando) por 29 (multiplicador), donde cada número está representado con 7 bits.


0000000 0011101 0 0010111 Valores iniciales

11010011110100

00111011001110

01

00101110010111

A←A-MDESPLAZAMIENTO Primer ciclo

00010110000101

10011101100111

10

00101110010111

A←A+MDESPLAZAMIENTO Segundo ciclo

11011101110111

11001110110011

01

00101110010111

A←A-MDESPLAZAMIENTO Tercer ciclo


54

SEGUNDO BIMESTRE


1111011 1011001 1 0010111 DESPLAZAMIENTO Cuarto ciclo

1111101 1101100 1 0010111 DESPLAZAMIENTO Quinto ciclo

00101000001010

11011000110110

10

00101110010111

A←A+MDESPLAZAMIENTO Sexto ciclo

0000101 0011011 0 0010111 DESPLAZAMIENTO Séptimo ciclo

RESPUESTA de la operación 23 x 29= 0000101 0011011 = 66710

Ejercicio 9.20. Divida -145 entre 13 en notación binaria de complemento a dos utilizando palabras de 12 bits. Emplee el algoritmo en la sección 9.3.

CICLOS A Q M DESCRIPCIÓN

111111111111 111101101111 000000001101 Valores iniciales

1 111111111111000000001100111111111111

111011011110111011011110

000000001101 DesplazamientoSuma A ← A + MRestablecimiento Aß A-M

2 111111111111000000001100111111111111

110110111100110110111100


3 111111111111000000001100111111111111

101101111000101101111000


4 111111111111000000001100111111111111

011011110000011011110000


5 111111111110000000001011111111111110

110111100000110111100000


6 111111111101000000001010111111111101

101111000000101111000000


7 111111111011000000001000111111111011

011110000000011110000000


8 111111110110000000000011111111110110

111100000000111100000000


9 111111101101111111111010111111111010

111000000000111000000001

000000001101 DesplazamientoSuma A ← A + MPoner Qo=1

10 111111110101000000000010111111110101

110000000010110000000010

000000001101 DesplazamientoSuma A ß A + MRestablecimiento Aß A-M

11 111110110111111111000100111111000100

100000000100100000000101


12 111110001001111110010110111110010110

000000001010000000001011


RESPUESTA: Cociente en Q=000000001011

55


Autoevaluación 5

Es momento que ponga en práctica lo que ha aprendido en esta unidad para que finalice su proceso de aprendizaje, te invitamos a desarrollar la siguiente actividad de autoevaluación.


Conteste con verdadero (V) o falso (F) a cada una de las siguiente expresiones, según corresponda:

1. ( ) La multiplicación se puede realizar con una representación de “enteros sin signo”.

2. ( ) La regla del desbordamiento sucede al sumar dos números positivos o negativos y el resultado tiene signo opuesto.

3. ( ) El complemento a dos utiliza el bit menos significativo.

4. ( ) Las entradas de ALU son la unidad de control y registros.

5. ( ) Las salidas de ALU son los registros e indicadores.

6. ( ) El 0 en signo magnitud tiene dos representaciones: negativa y positiva.

7. ( ) En la negación se aplica la regla de invertir el bit del signo.

8. ( ) El desbordamiento es también conocido como overflow.

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios tomados del texto básico, capítulo “Aritmética del computador”.

Ejercicio # 9.14. Dados x=0101 e y =1010 en notación de complemento a dos (es decir, x=5 e y = -6), calcule el producto p=x X y y con el algoritmo de Booth.

Ejercicio # 9.23. Exprese en formato de coma flotante IEEE de 32 bits los siguientes números:

a. -6b. -1.5c. 384d. 1/16e. -1/32

Concluida la autoevaluación: si usted alcanzó el 80% de logros puede continuar adelante. ¡Felicitaciones!; de lo contrario, se recomienda revisar nuevamente la temática para tener una mayor comprensión. ¡Ánimo, inténtelo de nuevo!


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56

SEGUNDO BIMESTRE

Unidad 6: Estructura y funcionamiento del procesador

Dos aspectos importantes se abordan en la presente unidad. Primero los registros visibles para el usuario y los registros de control y estado. Segundo, la segmentación dentro de los procesadores para la acelerar la ejecución de los programas. El capítulo 12 del texto básico hace referencia a lo señalado.

Si bien el capítulo 10 y 11 no han sido tratados en esta guía, recomendamos realizar una lectura rápida para clarificar mejor los conceptos en este capítulo. También le sugerimos hacer una lectura comprensiva de cada una de los temas. Deténgase en las figuras y entienda completamente el mecanismo de funcionamiento. Es conveniente que utilice los recursos del EVA y los recursos OCW para apoyar su aprendizaje.

Al finalizar esta unidad encontrará ejercicios resueltos y una sección de ejercicios propuestos para que retroalimente el aprendizaje

6.1. Organización del procesador

Para abordar este tema es importante recordar las siguientes definiciones: captación de instrucción, interpretar una instrucción, captar datos, procesar datos, escribir datos. Luego de esto concluirá que para procesar información se necesita algunos datos temporales. A continuación introduciremos este tema.

Analice el texto básico en el capítulo 12. Estructura y funcionamiento del procesador, la sección 12.1. Organización del procesador .

En la figura 12.1 y la figura 12.2 del texto básico se indica los componentes y las conexiones tanto fuera del procesador dentro de él. Los componentes ya se han tratado en unidades anteriores, pero la lectura anterior nos recuerda cada uno de ellos.

¿Qué son los indicadores de estado?, ¿cuál es la función del bus interno del procesador?, ¿puede describir como la función de los registros? Si es así, entonces pasemos a La organización de los registros.

Una vez que ha dado respuesta tales interrogantes, continuemos.

6.2. Organización de los registros

Como se lo había definido anteriormente, los registros son memorias muy rápidas, caras y pequeñas, que proporcionan información inmediata y temporal al procesador. La siguiente lectura le permitirá conocer más información acerca de los registros.

Lea en el texto básico el capítulo de Estructura y funcionamiento del procesador, sección 12.2. Organización de los registros.

Como se menciona anteriormente los registros se dividen en dos tipos:

57


- Los registros visibles por el usuario.

- Los registros de control y estado.

A continuación se muestra un cuadro sinóptico resumiendo los registros.

Registros visibles para el ususario• Uso general• Datos• Direcciones• Punteros de segmento• Registros índice• Punteros de pila• Códigos de condiciónRegistros de control y estado• Contador de programa• Registro de instrucción• Registro de dirección de memoria• Registro intermedio de memoria• Palabra de estado del programa• signo• cero• acarreo• igual• desbordamiento• interrupciones• supervisor

Cuadro 6.1. Cuadro resumen de los registros del procesador.

En la figura 12.3 del texto básico se indican tres ejemplos de organización de registros para los procesadores Motorola MC68000, el Intel 8086 y el Pentium 4 80386. Observe la diferencia entre cada uno de ellos.

¿Cuáles son las ventajas de los registros visibles por el usuario?¿Qué inconvenientes tienen los registros de códigos de condición? ¿Cuál es la ventaja del 80286 frente al MC68000? Si contestó correctamente las preguntas iniciaremos el estudio del ciclo de instrucción.

6.3. Ciclo de instrucción

El ciclo de instrucción consta de tres ciclos: captación, ejecución y la interrupción. En la presente sección se estudia otro ciclo adicional a los mencionados anteriormente “el ciclo indirecto”.

Lea en el texto básico el capítulo de Estructura y funcionamiento del procesador, sección 12.3. Ciclo del procesador del procesador

La figura 12.5 del texto básico indica los estados de ciclos de una instrucción con la incorporación del ciclo indirecto del procesador. La explicación de este proceso es mostrada en las figuras 12.6 y 12.7.

Observe que se trata de un proceso sencillo, donde los N bits más a la derecha de MBR contienen la dirección de referencia que se transfieren a MAR.


58

SEGUNDO BIMESTRE

¿Cuántos ciclos adicionales se incorporan al ciclo de instrucción tradicional con el direccionamiento indirecto? Si contestó correctamente las preguntas continuemos con el tema de la segmentación.

6.4. Segmentación de instrucciones

Revise en el texto básico el capítulo de Estructura y funcionamiento del procesador, sección 12.4 en segmentación de instrucciones.

La estrategia de la segmentación o encauzamiento es similar al montaje de una fábrica como comenta el autor. La idea principal es sacar provecho de tiempo a través de varias etapas de producción. Usted podría imaginar a la segmentación como el problema de la lavandería mostrada en la ilustración 6.1, donde cuatro personas individualmente quieren lavar, secar, doblar y colocar su ropa.

Ilustración 6.1. Ejemplo de la lavandería para segmentación(1). Quintana, F. (2007).

El problema principal del ejemplo anterior radica en que si lo hacen de forma tradicional (como se muestra en la ilustración 6.2) les llevaría aproximadamente 8 horas (proceso no segmentado). Pero si optimizamos las etapas y utilizamos adecuadamente los recursos (proceso segmentado) el tiempo se reduce en 3.5 horas.

Ilustración 6.2. Ejemplo de la lavandería para segmentación (2). Quintana, F. (2007).

59


La explicación y algunas dificultades que se encuentran en la segmentación la encontramos en la sección de ESTRATEGIAS DE SEGMENTACIÓN. Preste atención que aquí las etapas son cada uno de los ciclos de la instrucción.

La predicción de saltos es una característica de la segmentación y es muy útil al momento de considerar las prestaciones de los procesadores. En las figuras 12.16 y 12.7 encontraremos una explicación a este tema.

¿Por qué es importante la segmentación?, ¿qué son los latch?, ¿puede explicar la figura 12.16 para predecir un salto en la segmentación? Ahora bien, ha terminado de revisar los contenidos de la unidad 6, puede resolver los problemas propuestos, no sin antes revisar los problemas que ya se han resuelto.

Interactividad en el EVA: participe en el foro propuesto y comente: ¿por qué es importante que un cauce de instrucciones de dos etapas reduzca el tiempo de ciclo de instrucción a la mitad, en comparación con el diseño no segmentado? Luego que escriba su aporte comente los aportes de dos de sus compañeros. Por favor trate de crear un ambiente de discusión para el aprendizaje.

A continuación presentamos un conjunto de ejercicios resueltos tomados de la sección “Problemas” del texto básico. La numeración es la misma que en el texto.

Ejercicio # 12,3. Un microprocesador trabaja a una frecuencia de reloj de 5 GHz.

a. ¿Cuál es la duración del ciclo de reloj?

b. ¿Cuál es la duración de un tipo particular de instrucción de máquina que conste de tres ciclos de reloj?

T=1/f períodoT=1/5Ghz = 1/5x 106HzT= 0,2 x 10-6 s = 0,2 us

Duración en tres ciclos de reloj: el retardo de tiempo d es igual a un pulso de reloj.

t = 3* 0,2 x 105 s

t = 0,6 us

Ejercicio # 12.7. Considere un diagrama de tiempos de la figura 12, 10. Suponga que hay un cauce de solo dos etapas (captar y ejecutar). Redibuje el diagrama para mostrar cuántas unidades de tiempo se necesitan ahora para cuatro instrucciones.

Problema Resuelto


60

SEGUNDO BIMESTRE

Ejercicio # 12,8. Suponga un cauce de cuatro etapas; captar instrucción (FI), decodificar la instrucción y calcular direcciones (DA) captar operando (FO) y ejecutar (EX), dibuje un diagrama similar a la figura 12. 10 para una secuencia de siete instrucciones, en la cual la tercera instrucción es un salto que tiene lugar y además no hay dependencia de datos.

Ha finalizado la última unidad. Ahora le invitamos a desarrollar la siguiente autoevaluación para constatar sus conocimientos.

61


Autoevaluación 6


Conteste con verdadero(V) o falso(F) a cada una de las siguiente expresiones, según corresponda:

1. ( ) MSR es el registro de estado de la máquina.

2. ( ) Interrupciones de Power PC 00500h es externa.

3. ( ) El registro de condición consta de 8 campos de código de condición de cuatro bits.

4. ( ) Las interrupciones enmascarables reciben el procesador por el pin NMI.

5. ( ) Las interrupciones no enmascarables reciben el procesador por el pin INTR.

6. ( ) El 0 en vector de interrupción significa error al dividir.

7. ( ) Task Switched TS indica que el procesador tiene tareas conmutadas.

8. ( ) La paginación (Paging, PG) solo habilita la paginación.

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios tomados del texto básico, capítulo “Estructura y funcionamiento del procesador”.

Ejercicio # 12.11. Considere una secuencia de instrucciones de longitud n que atraviesa un cauce de instrucciones. Sea p la probabilidad de encontrar una instrucción de salto condicional o incondicional, y sea q la probabilidad de que la ejecución de una instrucción de salto I provoque un salto a una dirección no consecutiva. Suponga que cada salto de este tipo requiera vaciar el cauce, destruyendo todo el procesamiento de instrucciones en marcha, cuando I salga de la última etapa. Modifique las ecuaciones (12.1) y (12.2) (pag 455) de modo que tengan en cuenta estas posibilidades

Ejercicio # 12.14. Las máquinas motorola 680x0 incluyen la instrucción <<Decrementar y saltar según la condición que tiene la siguiente forma:

DBcc Dn, desplazamiento.

Concluida la autoevaluación: Si usted alcanzó el 80% de logros se puede asegurar que comprendió la asignatura. ¡Felicitaciones!; de lo contrario, se recomienda revisar nuevamente la temática para tener una mayor comprensión.

Revise sus respuestas en el Solucionario que se encuentra al final de la presente guía didáctica.

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62

SOLUCIONARIO

8. Solucionario

AUTOEVALUACIÓN 1


1. (V)2. (F)3. (V)4. (F)5. (F)6. (V)7. (F)8. (V)

Parte B: PROBLEMAS

ÿ Desarrollo ejercicio # 2.3:

Para leer un valor de la memoria, la CPU coloca la dirección del valor que quiere en Registro de Dirección de Memoria (MAR). La CPU confirma la línea de control de lectura a la memoria y la ubicación de dirección en el bus de direcciones. El contenido de la memoria y la posición de memoria están almacenados en el Bus de Datos. Estos datos son luego transferidos al Registro Temporal de Memoria (MBR). Para escribir un valor en la memoria, la CPU coloca la dirección del valor que quiere escribir en Registro de Dirección de Memoria (MAR).

La CPU también coloca los datos que quiere escribir en el Registro Temporal de Memoria (MBR). La CPU confirma la escritura en la línea de control y las ubicaciones de direcciones en el bus de direcciones y en el bus de datos. La memoria transfiere los datos en el bus de datos correspondiente a la ubicación de memoria.

ÿ Desarrollo ejercicio # 2.10:

factores

Atributos del sistema

Ic(# de

instrucciones)

p(# ciclos de

procesador )

m(# de

accesos a memoria)

k (tiempo ciclo

memoria /ciclo procesador )

T(tiempo

requerido x procesador)

Diseño del conjunto de Instrucciones (arquitectura instrucciones)

X X

Tecnología del compilador X X X

Implementación del procesador X X

Jerarquía de memoria y de la caché. X X

63

Guía didáctica: Arquitectura de ComputadoresSOLUCIONARIO

AUTOEVALUACIÓN 2


1. (V)2. (V)3. (F)4. (F)5. (V)6. (V)7. (V)8. (V)

PARTE B

ÿ Desarrollo ejercicio # 3.1

Memoria (hexadecimal): 300: 3005; 301: 5940; 302: 7006

Pasos:

1: 3005 ->IR2: 3 -> AC3: 5940 -> IR4: 3 + 2 = 5 -> AC5: 7006 -> IR6: AC -> Device 6


64

SOLUCIONARIO

1º ciclo de búsqueda

1. Como el programa comienza en la dirección 300, se empieza colocando el PC a 300. A continuación se transfiere el contenido del PC al registro de dirección de memoria (MAR).

2. MAR mantiene la dirección a la MP, mientras la UC genera las señales de control a la MP para que esta ponga el contenido de la posición de memoria (1940) en sus salidas de datos.

3. El dato leído de la MP (1940) se almacena en el registro buffer de memoria (MBR) por la U.C.

1º ciclo de ejecución

1. Se transfiere el contenido del MBR al registro de instrucción (IR).

2. Los primeros 4 bits en el IR indican la operación que debe realizarse con los datos. En este caso 0001(1) indica una operación de carga en el acumulador. La palabra de la memoria cuyo contenido se va a cargar en el Ac, se indica mediante los 12 bits inferiores de la instrucción. En este caso la dirección es 940.

3. La UC decodifica el código de operación, según se ha comentado en el punto 2, y realiza las acciones correspondientes.

- Cargar MAR con 940.- Generar las señales a la MP para leer el contenido de esa posición de memoria.- Cargar el contenido de la posición 940 (0003) en Ac.

Esta instrucción requiere un acceso a la MP por lo que se deben utilizar los registros MAR y MBR. Igualmente ocurre con todos los ciclos de búsqueda.

En lo sucesivo no se hará referencia a este proceso.

4. Se incrementa el PC.

2º ciclo de búsqueda

1. Se busca la instrucción de la posición de memoria indicada por el valor actualizado del PC, 301.

2. Se carga en el IR la instrucción de la palabra 301 (5941). El código de operación es 5, que corresponde a la instrucción de sumar el contenido del Ac con el de la palabra de memoria, indicada por los 12 bits inferiores de la instrucción (941).


1. Para ejecutarse la instrucción debe realizarse una operación de lectura de la MP, y sumar el contenido al del Ac.

2. Al final del ciclo de ejecución el Ac contiene el valor 3+2(941) = 5.

3. Se incrementa el PC, por lo que apuntará a la posición 302.

3º ciclo de búsqueda.

1. Se busca la instrucción en la posición 302.

2. Se carga el contenido de la posición 302 (2914) en el IR.

65



1. IR contiene el código de instrucción 2941, en el que los 4 bits de mayor peso (2) corresponden a una instrucción de almacenamiento. Se transfiere el contenido del Ac a la posición de memoria indicada por los 12 bits de menor peso (941).

2. El Ac contiene el dato 5, que se transfiere mediante un acceso externo de escritura a la MP. Al final del ciclo de ejecución la posición de memoria 941 tendrá el dato 5.

3. Se incrementa el PC.

En este programa se han necesitado 3 ciclos de instrucción para sumar el contenido de la palabra 940 al de la 941 y almacenar el resultado en la posición 941.

ÿ Desarrollo del ejercicio 3.13

a)

T=1

=1

= 0,2F 5MHz

T=1

= 2x101 = 200 ns5x101

T - 50 =200ns - 50 = 150 ns

5MHz reloj correspondiente a un período de reloj de 200ns. La señal tiene una duración de 150ns.

b. T de la señal = 150 ns; tras el flanco de bajada los datos se mantienen = 20 ns (tiempo de espera) 150 ns + 20 ns = 170 ns.

c. ¿Cuántos estados de espera deberían insertarse si la memoria necesita que los datos se mantengan válidos durante al menos 190 ns?

Un estado de espera.


66

SOLUCIONARIO

AUTOEVALUACIÓN 3


1. (V)2. (V)3. (V)4. (V)5. (V)6. (V)7. (V)8. (V)

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios tomados del texto básico, capítulo “Memoria Caché”.


La dirección de memoria principal es:

Etiqueta Línea Palabra

14 8 4

- Hay un total de 8 kbytes / 16 bytes = 512 líneas de memoria caché.

- La caché consta de 256 de dos líneas cada una. Por ende 8 bits son necesarios para identificar el conjunto de número.

- La memoria principal de 64 MB, una dirección de 26 bits que se necesita.

- Consiste en 64 MB / 16 bytes = 222 bloques.

- Las longitudes de etiquetas es de 14 bits.

- La longitud de palabra 4 bits.


a) 2,5 ns son necesarios para determinar que se produce un error (fallo) de caché. Luego la línea requerida es leída en la caché. Adicional de 2,5 ns son necesarios para leer la palabra solicitada.

T fallo= 2.5 + 50 + (15)(5) + 2.5 = 130 ns

b) Cantidad (T1+ T2).

En las condiciones iniciales, usando la ecuación (4.1), el tiempo de acceso medio es:

Ts = H × T1 + (1 – H) × (T1 + T2) = (0.95)(2.5) + (0.05)(130) = 8.875 ns.

En fallo tenemos:

Tfallo = 2,5 + 50 + (31) (5) + 2,5 = 210 ns

Ts = H × T1 + (1 – H) × (T1 + T2) = (0.97)(2.5) + (0.03)(210) = 8.725 ns.

67


AUTOEVALUACIÓN 4


1. (V)2. (F)3. (V)4. (V)5. (V)6. (V)7. (V)8. (V)

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios tomados del texto básico, capítulo “Entrada/Salida”.


En el modo de direccionamiento directo, una instrucción puede direccionar hasta 216 = 64K puertos.

En modo de direccionamiento indirecto, la dirección del puerto se encuentra en una de 16 bits registros, por lo que de nuevo, la instrucción puede direccionar hasta 216 = 64K puertos.


8 MHz=>el procesador tiene un período de reloj de 0,125 μs, de modo que un ciclo de instrucción 12 × 0.125 = 1.5 μs. Para comprobar el estado de una instrucción de input-type de el registro de estado del dispositivo. Si el dispositivo está listo, una instrucción de output-type es necesaria para presentar datos al controlador de dispositivo. El total es de 3 instrucciones, que requieren 4.5 μs.


68

SOLUCIONARIO

AUTOEVALUACIÓN 5


1. (V)2. (V)3. (F )4. (V)5. (V)6. (V)7. (V)8. (V )

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios tomados del texto básico, capítulo “Aritmética del computador”.


A Q Q-1 M

0000 1010 0 0101 Inicial

0000 0101 0 0101 Shift

10111101

01011010

01

01010101

A <-A – MShift

00100001

10100101

10

01010101

A <-A + MShift

11001110

01010010

01

01010101

A <-A – MShift


a) -6110 = 1.10 x 102

10000000000000000000000127 + 2 = 129 = 10000001

1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sign

o

Exponente Mantisa

b) -1.51.1= 1.1 x 108

10000000000000000000000127 + 8 = 135 = 10000111

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sign

o

Exponente Mantisa

69


c) 384101 = 1.01 x 102

01000000000000000000000

0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sign

o

Exponente Mantisa

d) 1/16 = 0,06251.0 x 10-4

00000000000000000000000127 - 4 = 123 = 01111011

0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sign

o

Exponente Mantisa

e) -1/32 = - 0.031251.0 x 10-5

00000000000000000000000127 - 5 = 122 = 01111010

1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Sign

o

Exponente Mantisa


70

SOLUCIONARIO

AUTOEVALUACIÓN 6


8. (V)1. (V)2. (V)3. (F)4. (F)5. (V)6. (V)7. (F)

Parte B: problemas

A continuación se propone ejercicios tomados del texto básico, capítulo “Estructura y funcionamiento del procesador”:



La comparación de la memoria dirigida por A0 y A1 hace que la BNE tenga condición falsa, porque las cadenas de datos son los mismos.

El programa de bucles entre las dos primeras líneas hasta que el contenido de D1 se disminuye por debajo de 0 (a -1).

El bucle se termina DBNE. D1 se disminuye de 255 ($ FF) a -1, por lo que el bucle se ejecuta un total de 256 veces.

Debido a la LongWord, el acceso y la postincremento abordar, los registros A0 y A1 son incrementados en un 4 x $ 100 = $ 400, a $ 4 400 y $ 5 400, respectivamente.

b. La primera comparación hace que la condición BNE verdad, porque la comparación patrones de datos son diferentes. Por lo tanto el bucle DBNE se termina en la primera comparación.

El A0 y A1 registros se incrementan a $ 4 004 y $5 004, respectivamente. D1 todavía contiene $ FF.

GPAP-SCJR/ymtm/15-07-2011/71 cll/2014-06-16

T pqnk pq k n

S TT

nkpq nk

k

kk

= + − + −

= =+ −

τ τ

ττ

( )[ ( )]

( ) (

1 1

11

ppq k nnk

pq nk pq k n)[ ( )] ( ) ( )[ ( )]+ −=

+ − + −1 1 1τ τ

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UTPL Guía Arquitectura