Registros del Procesador (Parte 3)

Registros de instrucción:

El registro puntero de instrucción (IP) de 16 bits contiene el desplazamiento de dirección de la siguiente instrucción que se ejecuta.

El registro IP esta asociado con el registro CS en el sentido de que el IP indica la instrucción actual dentro del segmento de código que se esta ejecutando actualmente.En el ejemplo siguiente, el registro CS contiene 25A4[0]H y el IP contiene 412H. Para encontrar la siguiente instrucción que será ejecutada el procesados combina las direcciones en el CS y el IP así:Segmento de dirección en el registro CS: 25A40HDesplazamiento de dirección en el registro IP: + 412HDirección de la siguiente instrucción: 25E52H

Registros del Procesador (Parte 2)

Registros Apuntadores 

Los registros SP (apuntador de la pila) Y BP (apuntador de base) están asociados con el registro SS y permiten al sistema acceder datos en el segmento de la pila. 

• Registro SP: El apuntador de la pila de 16 bits esta asociado con el registro SS y proporciona un valor de desplazamiento que se refiere a la palabra actual que esta siendo procesada en la pila. Los procesadores 80386 y posteriores tienen un apuntador de pila de 32 bits, el registro ESP. El sistema maneja de forma automática estos registros. En el ejemplo siguiente, el registro SS contiene la dirección de segmento 27B3[0]H y el SP el desplazamiento 312H. Para encontrar la palabra actual que esta siendo procesada en la pila, la computadora combina las direcciones en el SS y el SP: 

• Registro BP: El BP de 16 bits facilita la referencia de parámetros, los cuales son datos y direcciones transmitidos vía pila. Los procesadores 80386 y posteriores tienen un BP ampliado de 32 bits llamado el registro EBP. 

Registros Índice 

Los registros SI y DI están disponibles para direccionamiento indexado y para sumas y restas. 

• Registro SI: El registro índice fuente de 16 bits es requerido por algunas operaciones con cadenas (de caracteres). En este contexto, el SI esta asociado con el registro DS. Los procesadores 80386 y posteriores permiten el uso de un registro ampliado de 32 bits, el ESI.
  SI se usa como puntero. Su nombre proviene de Source Index, y se usa principalmente con instrucciones de cadena:
      CLD
      MOV AX,0
      MOV DS,AX
      MOV SI,20
      LODSB
  
  Carga en AX el valor de la posición 20 de memoria. SI se incrementa en una unidad. En combinación con LOOP permite leer posiciones sucesivas de memoria.

• Registro DI: El registro índice destino también es requerido por algunas operaciones con cadenas de caracteres. En este contexto, el DI esta asociado con el registro ES. Los procesadores 80386 y posteriores permiten el uso de un registro ampliado de 32 bits, el EDI. DI también se usa como  puntero.  Permite  escribir  en posiciones sucesivas de memoria cuando se usa con instrucciones de cadena:
      CLD
      MOV DX,0
      MOV ES,DX
      MOV DI,2048
      STOSB

Registro de Banderas

De los 16 bits del registro de banderas, nueve son comunes a toda la familia de procesadores 8086, y sirven para indicar el estado actual de la maquina y el resultado del procesamiento. Muchas instrucciones que piden comparaciones y aritmética cambian el estado de las banderas, algunas cuyas instrucciones pueden realizar pruebas para determinar la acción subsecuente. En resumen, los bits de las banderas comunes son como sigue:

• OF (Overflow, desbordamiento): Indica desbordamiento de un bit de orden alto (mas a la izquierda) después de una operación aritmética. 
• DF (dirección): Designa la dirección hacia la izquierda o hacia la derecha para mover o comparar cadenas de caracteres. 
• IF (interrupción): Indica que una interrupción externa, como la entrada desde el teclado, sea procesada o ignorada. 
• TF (trampa): Permite la operación del procesador en modo de un paso. Los programas depuradores, como el DEBUG, activan esta bandera de manera que usted pueda avanzar en la ejecución de una sola instrucción a un tiempo, para examinar el efecto de esa instrucción sobre los registros de memoria. 
• SF (signo): Contiene el signo resultante de una operación aritmética (0 = positivo y 1 = negativo). 
• ZF (cero): Indica el resultado de una operación aritmética o de comparación (0 = resultado diferente de cero y 1 = resultado igual a cero). 
• AF (acarreo auxiliar): Contiene un acarreo externo del bit 3 en un dato de 8 bits para aritmética especializada. 
• PF (paridad): Indica paridad par o impar de una operación en datos de 8 bits de bajo orden (mas a la derecha). 
• CF (acarreo): Contiene el acarreo de orden mas alto (mas a la izquierda) después de una operación aritmética; también lleva el contenido del ultimo bit en una operación de corrimiento o de rotación. 

Registros de Pila

La pila es un área de memoria importante y por ello tiene, en vez de uno, dos registros que se usan como desplazamiento (offset) para apuntar a su contenido. Se usan como complemento al registro y son: 

• SP- Stack Pointer: Se traduce como puntero de pila y es el que se reserva el procesador para uso propio en instrucciones de manipulado de pila. Por lo general, el programador no debe alterar su contenido. 
• BP- Base pointer: Se usa como registro auxiliar. El programador puede usarlo para su provecho. 

Claro que estos nombres y tipos de registros son estándar, ya que cada fabricante puede utilizar otros registro que reemplacen a estos o los auxilien, aun así, los fabricantes que usan otros registro tienen la misma función que los anteriormente mencionados.

Registros del Procesador (Parte 1)

Los registros del procesador son sitios de almacenamiento rápido y temporal, se emplean para controlar instrucciones en ejecución, manejar direccionamiento de memoria y proporcionar capacidad aritmética.  Los registros son espacios físicos dentro del microprocesador con capacidad de 4 bits hasta 64 bits dependiendo del microprocesador que se emplee. Los registros del procesador se emplean para controlar instrucciones en ejecución, manejar direccionamiento de memoria y proporcionar capacidad aritmética. Los registros son direccionables por medio de un nombre. Los bits por convención, se numeran de derecha a izquierda, como en: ... 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Los registros internos del procesador se pueden clasificar en 5 tipos diferentes

1. Registros de segmento 
2. Registros de propósito general 
3. Registros de apuntadores 
4. Registros de banderas 
5. Registros de Pila 

Registros de segmento 

Un registro de segmento tiene 16 bits de longitud y facilita un área de memoria para direccionamiento conocida como el segmento actual. 

• Registro CS: El DOS almacena la dirección inicial del segmento de código de un programa en el registro CS.  Esta dirección de segmento, mas un valor de desplazamiento en el registro apuntador de instrucción (IP),  indica la dirección de una instrucción que es buscada para su ejecución.  Para propósito de programación normal no se necesita referenciar al registro CS.

• Registro DS: La dirección inicial de un segmento de datos de programa es almacenada en el registro DS. En términos sencillos, esta dirección, mas un valor de desplazamiento en una instrucción, genera una referencia a la localidad de un byte especifico en el segmento de datos.  
• Registro SS: El registro SS permite la colocación en memoria de una pila, para almacenamiento temporal de direcciones y datos. El DOS almacena la dirección de inicio del segmento de pila de un programa en le registro SS. Esta dirección de segmento, mas un valor de desplazamiento en el registro del apuntador de pila (SP), indica la palabra actual en la pila que esta siendo direccionada.  .  Para propósito de programación normal no se necesita referenciar al registro SS.

• Registros ES: Alguna operaciones con cadenas de caracteres (datos de caracteres) utilizan el registro extra de segmento para manejar el direccionamiento de memoria. En este contexto, el registro ES esta asociado con el registro DI (índice). Un programa que requiere el uso del registro ES puede inicializarlo con una dirección de segmento apropiada. 

• Registros FS y GS: Son registros extra de segmento en los procesadores 80386 y posteriores. 

Registros de propósito general 

Los registros de propósito general AX, BX, CX y DX son los caballos de batalla del sistema. Son únicos en el sentido de que se puede direccionarlos como una palabra o como una parte de un byte. El último byte de la izquierda es la parte "alta", y el último byte de la derecha es la parte "baja". Por ejemplo, el registro CX consta de una parte CH (alta) y una parte Cl (baja), y usted puede referirse a cualquier parte por su nombre. 

• Registros AX: El registro AX, el acumulador principal, es utilizado para operaciones que implican entrada/salida y la mayor parte de la aritmética. Por ejemplo, las instrucciones para multiplicar, dividir y traducir suponen el uso del AX. También, algunas operaciones generan código más eficientes si se refiere al AX en lugar de los otros registros.

• Registro BX: El BX es conocido como el registro base ya que es el único registro de propósitos generales que pueden ser unos índices para direccionamiento indexado. También es común emplear al BX para cálculos.
• Registro CX: El CX es conocido como el registro contador. Puede contener un valor para controlar el número de veces que un ciclo se repite o un valor para corrimiento de bits, hacia la derecha o hacia la izquierda. El CX también es usado para muchos cálculos.

• Registro DX: El DX es conocido como el registro de datos. Algunas operaciones de entrada/salida requieren su uso, y las operaciones de multiplicación y división con cifras grandes suponen al DX y al AX trabajando juntos. Puede usar los registros de propósitos para suma y resta de cifras de 8, 16, 32 bits.

Arquitectura de Von Neumann

Hacia 1950, John Von Neumann tuvo la idea de construir una máquina que "memorizara" una serie de órdenes y un grupo de datos, para que pudiera luego "trabajar sola" hasta lograr un resultado.

La arquitectura Von Neumann es un modelo de organización en arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos

John Von Neumann

La idea de Von Neumann consiste en conectar permanentemente las unidades de la computadora, de modo que todo el ordenador está coordinado por un control central. Para evitar tener que cablear las unidades cada vez que se quería ejecutar un nuevo programa, se ideó un método donde tanto las instrucciones que forman los programas como los datos que utilizan éstos se almacenan en una memoria.

Arquitectura y Organización

Los diferentes elementos físicos que componen un ordenador podemos dividirlos, según la tarea que realizan, en las siguientes unidades funcionales:

La unidad aritmético-lógica o ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datos que proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes.

La Unidad Central de Proceso (CPU)

La Unidad Central de Proceso o CPU controla y coordina todas las operaciones del ordenador. Está constituida por dos elementos básicos: la Unidad de Control (UC) y la Unidad Aritmético-Lógica (ALU).

• La Unidad de Control es la encargada de controlar la ejecución de las instrucciones en el orden indicado en el programa, secuencia de operaciones necesarias para ejecutar cada instrucción. Realiza la coordinación entre la ALU, la memoria principal y el resto de componentes. La UC consta de una serie de registros, un decodificador y un reloj:
• Los registros se encargan de almacenar la información que utiliza la UC en un momento dado. Entre los principales registros están los siguientes:

• Registro CP (Contador de Programa): almacena la dirección de memoria de la siguiente instrucción que se debe ejecutar. Los programas de ordenador constan de varias instrucciones que han de estar en memoria principal al ser ejecutados.
• Registro RI (Registro de Instrucción): almacena la instrucción que se está ejecutando en cada momento.
• Registros de propósito general: pequeñas zonas de memoria de acceso muy rápido que almacenan los datos a los que se va a acceder de forma inmediata.
• El decodificador está compuesto por los circuitos encargados de determinar qué se debe hacer teniendo en cuenta el código de la instrucción a ejecutar y los valores del registro de estado.
• El reloj indica el momento en que se debe ejecutar cada paso de la ejecución de una instrucción. La velocidad del reloj se mide en Hertzios (pulsos de reloj por segundo).
• La Unidad Aritmético-Lógica (ALU), es la encargada de realizar las operaciones aritméticas (sumas, restas, multiplicaciones,…) y lógicas (NOT, AND, OR, XOR,…) que le ordene la Unidad de Control (UC). Está compuesta por:
• Circuitos digitales que realizan las operaciones solicitadas por la Unidad de Control.
• Registros que almacenan los operandos participantes en las operaciones. se divide en:Registro acumulador que almacena el resultado.Registro de estado que proporciona información sobre el estado de la última operación. Después de realizar ciertas operaciones se toman decisiones en función del resultado y almacenar características del resultado en un solo bit sirve para ser más rápido al evaluar la condición

Unidad de Control

La función principal de la unidad de control de la CPU es dirigir la secuencia de pasos de modo que la computadora lleve a cabo un ciclo completo de ejecución de una instrucción, y hacer esto con todas las instrucciones de que conste el programa. Los pasos para ejecutar una instrucción cualquiera son los siguientes:

1. Ir a la memoria y extraer el código de la siguiente instrucción (que estará en la siguiente celda de memoria por leer). 
2. Decodificar la instrucción recién leída (determinar de que instrucción se trata).
3. Ejecutar la instrucción.
4. Prepararse para leer la siguiente casilla de memoria (que contendrá la siguiente instrucción), y volver al paso 1 para continuar.

La unidad de control ejecutara varias veces este ciclo de cuatro “instrucciones alambradas” a una enorme velocidad.

La Memoria

La memoria está formada por circuitos electrónicos que almacenan valores binarios (bits) en cada celda de memoria. Almacena la información que va a ser utilizada por la CPU: datos e instrucciones de los programas a ejecutar. 

Al hablar de una memoria tenemos que tener en cuenta dos parámetros fundamentales:

• Se llama ancho de palabra al tamaño menor que se puede leer o escribir simultáneamente en la memoria. Depende de la memoria y del bus que se encarga de mover los datos. Algunos tamaños actuales son 32 o 64 bits.
• Las direcciones de memoria se utilizan para identificar cada palabra de memoria, y son usadas en las instrucciones que ejecuta el procesador para indicar a qué información se quiere acceder. Cuanto mayor sea la memoria, a más direcciones de memoria podré acceder. Actualmente se trabaja con 32 y 64 bits.

Los Buses

En Informática, bus es el conjunto de conductores eléctricos en forma de pistas metálicas impresas sobre la tarjeta madre del computador, por donde circulan las señales que corresponden a los datos binarios del lenguaje máquina con que opera el Microprocesador.

Hay tres clases de buses: Bus de Datos, Bus de Direcciones y Bus de Control. 

1. Bus de Datos: mueve los datos entre los dispositivos del hardware de Entrada como el Teclado, el Escáner, el Ratón, entre otros; de salida como la Impresora, el Monitor o la tarjeta de Sonido; y de Almacenamiento como el Disco Duro, el Diskette o la Memoria-Flash. Estas transferencias que se dan a través del Bus de Datos son gobernadas por varios dispositivos y métodos, de los cuales el Controlador PCI, "Peripheral Component Interconnect", Interconexión de componentes Periféricos, es uno de los principales. Su trabajo equivale, simplificando mucho el asunto, a una central de semáforos para el tráfico en las calles de una ciudad.
2. El Bus de Direcciones: está vinculado al bloque de Control de la CPU para tomar y colocar datos en el Sub-sistema de Memoria durante la ejecución de los procesos de cómputo.
3. El Bus de Control: transporta señales de estado de las operaciones efectuadas por el CPU con las demás unidades.

Hardware y su Clasificación

Definición de Hardware

Hardware son todos aquellos componentes físicos de una computadora, todo lo visible y tangible.

Clasificación del Hardware

Cada pieza de hardware, forma parte de una de cinco categorías:

• Procesador
• Memoria principal
• Dispositivos de entrada
• Dispositivos de salida
• Dispositivos de almacenamiento secundario

Procesamiento de datos

Es el procedimiento mediante el cual los datos crudos se transforman en información útil.

Para realizar esta transformación, intervienen dos componentes de hardware: 

El procesador y la memoria principal 

Procesador

Desde el punto de vista funcional, un microprocesador es un circuito integrado que incorpora  en su interior una unidad central de proceso (CPU) y todo un conjunto de elementos lógicos que permiten enlazar otros dispositivos como memorias y puertos de entrada y salida (I/O), formando un sistema completo para cumplir con una aplicación específica dentro del mundo real 

Para que el sistema pueda realizar su labor debe ejecutar paso a paso un programa que consiste en una secuencia de números binarios o instrucciones, almacenándolas en  uno o más elementos de memoria, generalmente externos al mismo.

Memoria

Se refiere a los componentes de una computadora, dispositivo y medios de almacenamiento que retienen datos  informáticos durante algún intervalo de tiempo . 

Las memorias de computadora proporcionan unas de las principales funciones de la computación moderna, la retención o almacenamiento de información. 

La memoria primaria está directamente conectada a la CPU de la computadora. Debe estar presente para que la CPU funcione correctamente. (Registros del procesador, Memoria cache y memoria principal de acceso aleatorio RAM).

La memoria secundaria requiere que la computadora use sus canales de entrada/salida  para acceder a la información y se utiliza para almacenamiento a largo plazo de información persistente. (Discos Duros, Memorias Flash, etc.)

Los Dispositivos de Entrada/Salida

Son aquellos que permiten la comunicación entre la computadora y el usuario.

Dispositivos de Entrada

Son aquellos que sirven para introducir datos a la computadora para su proceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en la memoria central o interna. Los dispositivos de entrada convierten la información en señales eléctricas que se almacenan en la memoria central.
Los dispositivos de entrada típicos son los teclados, otros son: lápices ópticos, palancas de mando (joystick), CD-ROM, discos compactos (CD), entre otros.

Dispositivos de Salida

Son los que permiten representar los resultados (salida) del proceso de datos. El dispositivo de salida típico es la pantalla o monitor. Otros dispositivos de salida son: impresoras (imprimen resultados en papel), trazadores gráficos (plotters), bocinas, entre otros.

Dispositivos de Almacenamiento Secundario

Un dispositivo de almacenamiento secundario posee los datos por separado del procesador. Los datos se mantienen en almacenamiento incluso cuando se retira la alimentación a la computadora. Una unidad de disco duro y una unidad óptica son los dos dispositivos de almacenamiento secundario.

Generaciones del Computador

Primera Generación (1945-1955)

En esta época las computadoras funcionaban con válvulas, usaban tarjetas perforadas para entrar los datos y los programas, utilizaban cilindros magnéticos para almacenar información e instrucciones internas y se utilizaban exclusivamente en el ámbito científico o militar. La programación implicaba la modificación directa de los cartuchos y eran sumamente grandes, utilizaban gran cantidad de electricidad, generaban gran cantidad de calor y eran sumamente lentas.

El ENIAC fue el primer ordenador electrónico digital de propósito general que llegó a funcionar. Lo construyeron Mauchley y Eckert en 1943 y estaba formado por 18.000 válvulas y 1.500 relés; sus 30 toneladas de peso consumían 140 Kw.

Características 

* Estaban construidos con electrónica de válvulas.

* Se programaban en lenguaje de maquina.  

Segunda Generación (1955-1965)

Los computadores de la segunda generación ya no son de válvulas de vacío, si no con transistores, son más pequeñas y consumen menos electricidad que los anteriores, la forma de comunicación con estas nuevas computadoras es mediante lenguajes más avanzados que el lenguaje de la máquina, y que reciben el nombre de "lenguajes de alto nivel" o lenguajes de programación.

La segunda generación de los transistores reemplazo a las válvulas de vacío por los circuitos de los computadores.

1948 - Bell Labs inventa el transistor (Premio Nobel).

En el M.I.T. (Massachusetts Institute of Technology) se construye el TX-0 y TX-2. Kenneth Olsen funda DEC  en 1957.

Características

* Estaban construidas con la electrónica de transistores

* Se programaban con lenguajes de alto nivel

Tercera Generación (1960-1980)

A mediados de los años sesenta se produjo la invención del circuito integrado o microchip, por parte de Jack St. Claire Kilby y Robert Noyce. Después llevo a Ted Hoff a la invención del Microprocesador, en Intel. A  finales de 1960, investigadores como George Gamow noto que las secuencias de nucleótidos en el ADN forman un código, otra forma de codificar o programar. A partir de esta fecha, empezaron a empaquetarse varios transistores diminutos y otros componentes electrónicos en un solo chip o en capsulado, que contenía en su interior un circuito complemento: un amplificador, un oscilador, o una puerta lógica. Naturalmente, con estos chips (circuitos integrados) era mucho más fácil montar aparatos complicados: receptores de radio o televisión y computadoras. 

Características

* Menor consumo de energía 
* Apreciable reducción del espacio 
* Aumento de fiabilidad
* Multiprogramación 
* Renovación de periféricos 

Cuarta Generación (1980-1990)

La  cuarta generación es el producto de la micro miniaturización de los circuitos electrónicos. Nace el microprocesador(decenas y centenas de millones de transistores en uno) El tamaño reducido del microprocesador de chips hizo posibles la creación de los computadores personales (PC).

Características

* Se minimizan los circuitos, aumenta la capacidad de almacenamiento. 

* Reducen el tiempo de respuesta. 

* Gran expansión del uso de las Computadoras. 

* Memorias electrónicas más rápidas. 

* Sistemas de tratamiento de bases de datos. 

Quinta Generación (1985-1990)

También conocida por siglas en inglés, FGCS (The Fith Generation Computer Systems) fue un ambicioso proyecto propuesto por Japón a finales de la década de 1970. Su objetivo era el desarrollo de una nueva clase de computadoras, que utilizarían técnicas y tecnologías de inteligencia artificial tanto en el plano de hardware, como el software. Usando el lenguaje Prolog (234) al nivel del lenguaje de máquina y serían capaces de resolver problemas complejos, como la traducción automática de una lengua a otra. En esta generación surge la PC tal cual como la conocemos en la actualidad. 

Características

* Mayor velocidad.
* Mayor miniaturización de los elementos.
* Aumenta la capacidad de memoria.
* Multiprocesador (Procesadores interconectados).
* Lenguaje Natural.
* Lenguajes de programación: PROGOL (Programming Logic) y LISP (List Processing).

Sexta Generación (1990-Actualidad)

En esta generación los ordenadores  son más pequeños, versátiles y poseen, como herramienta indispensable, Internet. En esta sexta generación de computadoras los ordenadores cuentan con arquitecturas paralelas que agilizan sus operaciones y facilitan el almacenamiento de información. La sexta generación de computadoras cuenta con invenciones que han revolucionado por completo el mercado de la tecnología informática.

Características

* La Realidad Virtual • Las Redes Inalámbricas (WiMax, WiFi, Bluetooth)

* El Súper Computo (Procesadores Paralelos Masivos)

* Las Memorias Compactas (Discos Duros externos USB, SmartMedia, PCMCIA)

* El Reconocimiento de voz y escritura • Las Computadoras Ópticas (luz, sin calor, rápidas)

* Las Computadoras Cuánticas (electrones, moléculas, qbits, súper rápidas)

Arquitectura de computadoras

La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de computadora. Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso (UCP) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.

También suele definirse como la forma de seleccionar e interconectar componentes de hardware para crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad, rendimiento y costo. En los computadores  se encuentran interrelacionados los elementos físicos (hardware) y lógicos (software), ambos permiten realizar lo que deseamos de un computador. El software nos permite expresarlo y controlarlo y el hardware son todos los componentes físicos que permiten el funcionamiento.

El Software es un conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas que permiten ejecutar distintas tareas en una computadora. Se considera que el software es el equipamiento lógico e intangible de un ordenador. En otras palabras, el concepto de software abarca a todas las aplicaciones informáticas, como los procesadores de textos, las planillas de cálculo y los editores de imágenes.

El Hardware es el conjunto de los componentes que conforman la parte material (física) de una computadora, a diferencia del software que refiere a los componentes lógicos (intangibles). Sin embargo, el concepto suele ser entendido de manera más amplia y se utiliza para denominar a todos los componentes físicos de una tecnología.

El Ordenador se trata de la máquina electrónica que facilita el procesamiento de datos, permite el procesamiento de datos (internamente en forma binaria) cuando se introducen en su memoria un grupo de instrucciones (en forma binaria) denominadas programas.