Proyecto Final Educación Superior Armonía

ESTRUCTURA BÁSICA DE LOS COMPUTADORES

Didier Eduardo Lopez Quiñones Y Sebastian Andres Pabon Zarate

Javier Enrique Luna Marzola

26 de 10 de 2024

ESTRUCTURA DEL COMPUTADOR

Índice

1.

Modulos

2.

Fases de ejecución

3.

Repertorio de instrucciones

4.

Parametros de diseño

5.

Modos de direccionamiento

6.

Formato de las Instrucciones

7.

Como calcular el rendimiento de un computador

8.

Programas para Evaluar Rendimientos

1.Modulos Que Componen La Estructura Basica

Modulos de la estructura basica

1. Módulo de entrada: Este es el punto donde se reciben los datos o insumos.
2. Módulo de procesamiento: Aquí se lleva a cabo el análisis o transformación de los datos.
3. Módulo de almacenamiento: Donde se guardan los datos procesados.
4. Módulo de salida: Este es el lugar donde se generan los resultados o informes.
5. Módulo de retroalimentación: Permite ajustar y mejorar el sistema con base en la información recibida.
6. Módulo de soporte: Incluye recursos y asistencia para asegurar que los otros módulos funcionen correctamente.

2. Fases de ejecución de una instrucción

Búsqueda (Fetch): La CPU obtiene la siguiente instrucción de la memoria principal, utilizando el bus de direcciones para localizar la dirección de memoria y el bus de datos para transferir la instrucción. Decodificación (Decode): La unidad de control interpreta la instrucción obtenida y la traduce en señales de control que preparan la ALU, los registros y otros componentes. Ejecución (Execute): La ALU realiza la operación aritmética o lógica especificada, utilizando los operandos almacenados en los registros. Escritura (Write-back): Los resultados obtenidos se almacenan en la memoria o en un registro de la CPU, según la instrucción. Esto permite que la CPU acceda rápidamente a estos datos en operaciones futuras.

Esta secuencia de fases se repite para cada instrucción en un ciclo continuo llamado ciclo de instrucción.

3. El repertorio de instrucciones

Definicion

Un conjunto de instrucciones, repertorio de instrucciones, juego de instrucciones o ISA es una especificación que detalla las instrucciones que una unidad central de procesamiento puede entender y ejecutar, o el conjunto de todos los comandos implementados por un diseño particular de una CPU.

Tipos de instrucciones

El repertorio de instrucciones es el conjunto de comandos que un procesador puede ejecutar. Incluye:

• Instrucciones aritméticas: Sumas, restas, etc.
• Instrucciones lógicas: Operaciones como AND y OR.
• Instrucciones de control de flujo: Saltos y bucles.
• Instrucciones de acceso a memoria: Leer y escribir datos.
• Instrucciones de entrada/salida: Comunicación con dispositivos externos.

Este repertorio varía según la arquitectura del procesador y afecta el rendimiento de los programas.

Los operadores en las instrucciones determinan el tipo de operación que realizará la CPU. Los principales tipos son: Aritméticos: Realizan operaciones matemáticas, como suma (+), resta (-), multiplicación (*), y división (/). Lógicos: Ejecutan operaciones lógicas entre bits, como AND, OR, XOR y NOT. De Desplazamiento: Permiten el desplazamiento de bits a la izquierda o derecha, como SHL (Shift Left) y SHR (Shift Right). Relacionales: Comparan dos valores y devuelven un resultado booleano (por ejemplo, mayor que >, menor que <). Bit a Bit: Operan directamente sobre los bits de un valor, como AND, OR y XOR, utilizados en operaciones a nivel de hardware.

Tipos de Operadores

4. Parámetros de Diseño para el Computador

Arquitectura del Procesador: Define el conjunto de instrucciones y el modelo de procesamiento, como arquitectura CISC (Conjunto de Instrucciones Complejo) o RISC (Conjunto de Instrucciones Reducido). Repertorio de Instrucciones: Selección de instrucciones que debe ser balanceada y eficiente para permitir un rango amplio de operaciones sin sobrecargar la CPU. Longitud de las Instrucciones: Determina el ancho en bits de cada instrucción, lo cual afecta el tamaño de la memoria y el rendimiento. Velocidad y Eficiencia Energética: Se debe considerar el consumo de energía y la velocidad de ejecución para un balance entre rendimiento y eficiencia. Organización de la Memoria: La estructura de la memoria (RAM, caché, registros) y cómo se relaciona con la CPU afecta directamente la rapidez con que se pueden acceder y ejecutar las instrucciones.

Modos de direccionamiento

5. Modos de direccionamiento

Los modos de direccionamiento indican cómo acceder a los operandos de una instrucción. Algunos modos comunes son:

1. Direccionamiento Directo: La dirección de memoria del operando se especifica explícitamente en la instrucción.
2. Direccionamiento Indirecto: La dirección de la instrucción apunta a otra dirección en memoria donde se encuentra el operando real.
3. Direccionamiento Inmediato: El operando se especifica directamente en la instrucción en lugar de una dirección de memoria.
4. Direccionamiento por Registro: La instrucción utiliza registros internos para acceder a los operandos.
5. Direccionamiento Indexado: Utiliza un registro índice para desplazarse a través de un conjunto de datos en memoria.

6. Formato de las Instrucciones

Formato de las Instrucciones

El formato de una instrucción define cómo se organiza y representa la instrucción en la memoria y puede variar según el diseño del procesador. Las partes principales son:

Código de Operación (Opcode): Especifica qué operación debe realizarse.

Operando(s): Indica los datos o las direcciones de memoria sobre las cuales actúa la operación.

Modo de Direccionamiento: Puede estar incluido para definir cómo obtener el operando o hacia dónde escribir el resultado.

7. Como calcular el rendimiento de un computador

Medidas de Rendimiento

Ciclo por Instrucción (CPI): Mide el número promedio de ciclos de reloj que necesita la CPU para ejecutar una instrucción. Un CPI más bajo suele indicar un rendimiento superior, ya que implica que el procesador puede ejecutar más instrucciones en menos ciclos. Instrucciones por Segundo (IPS): Indica la cantidad de instrucciones que la CPU puede ejecutar por segundo. Generalmente, se expresa en millones de instrucciones por segundo (MIPS) o en giga instrucciones por segundo (GIPS). Velocidad del Reloj: Expresada en Hertzios (Hz), la velocidad del reloj mide la frecuencia con la que la CPU puede realizar ciclos de procesamiento. Aunque una frecuencia más alta suele implicar mayor velocidad, el rendimiento real depende también de otros factores como el CPI y el número de núcleos. Throughput: Es la cantidad de trabajo completado por la CPU en un tiempo determinado, lo cual incluye la ejecución de procesos y tareas completas. Es una medida útil para sistemas multitarea y servidores. Flops (Floating Point Operations per Second): Mide el número de operaciones en punto flotante que puede realizar un sistema en un segundo. Se usa especialmente para evaluar el rendimiento en aplicaciones científicas y gráficas. Tiempo de Respuesta o Latencia: El tiempo que tarda el sistema en responder a una solicitud. Se mide especialmente en sistemas donde la rapidez de respuesta es crítica, como en bases de datos o servidores web.

8. Programas para Evaluar Rendimientos (Benchmarks)

SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation):Conjunto de pruebas estandarizadas que evalúan el rendimiento de la CPU y de sistemas completos en diversas tareas. Ofrece versiones de benchmarks como SPEC CPU para medir procesamiento y SPECjbb para sistemas Java. Geekbench:Evalúa el rendimiento de la CPU y GPU en operaciones cotidianas, así como en tareas de procesamiento de imágenes, aprendizaje automático, y más. Cinebench:Diseñado para probar el rendimiento de la CPU en tareas de renderizado 3D. Se utiliza principalmente en la industria gráfica y para evaluar sistemas en tareas de alto rendimiento visual. PCMark:Evalúa el rendimiento general del sistema en tareas de uso diario como navegación, edición de documentos, edición de medios y otras funciones comunes de oficina y multimedia. 3DMark:Especializado en evaluar el rendimiento de gráficos en 3D y videojuegos. Es una referencia común para medir el rendimiento de las tarjetas gráficas y la GPU. Linpack:Mide el rendimiento en operaciones de punto flotante, comúnmente utilizado para probar el rendimiento en sistemas de supercomputación.

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