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MICROPROCESADORES
Gustavo Cerda Villafaña
FIMEE, U. de Gto.
correo: [email protected]
"I think there is a world market for maybe five
computers."
- Thomas Watson, president of IBM,
1943.
"There is no reason anyone would want a computer in
their home."
- Ken Olsen, founder of Digital Equipment Corporation,
1977.
Contenido del curso
Objetivo: Familiarizarse con los microprocesadores de manera que éstos puedan ser
utilizados como unidades de control y procesamiento. El curso comprende la elaboración
de un proyecto en alguna área de las mencionadas.
TEMARIO
1.- Arquitectura de los microprocesadores
2.- Definición de un sistema mínimo
3.- Métodos de direccionamiento
4.- Registro de instrucciones y técnicas de programación en lenguaje
ensamblador de un microprocesador específico
5.- Sistema de interrupción.
6.- Diseño de interfaces de E/S
7.- Acceso directo a la memoria.
Sistemas con microprocesadores
Tarjetas madre comerciales - $500.00 pesos
Microcontroladores de 32 bits – $4 – $8 dólares
Contenido del curso
Objetivo: Familiarizarse con los microprocesadores de manera que éstos puedan ser
utilizados como unidades de control y procesamiento. El curso comprende la elaboración
de un proyecto en alguna área de las mencionadas.
TEMARIO
1.- Arquitectura básica de los microprocesadores
2.- Descripción de los componentes de una microcomputadora
3.- Componentes del microprocesador en VHDL
4.- Características de microprocesadores modernos
Características de microprocesadores modernos
Algunas características .
1.- PIPELINING – Rodriguez F.
5.- Floating Point Unit - Naranjo
2.- MULTI-THREADING (multi-hilo) – R.F.
6.- Multicore - Saucedo
3.- Multimedia capabilities: 3DNow,
MMX, SSE, SSE2, SSE3 - Montenegro
7.- Cache Memory - Montero
4.- DYNAMIC FRECUENCY SCALING
DYNAMIC VOLTAGE SCALING – Naranjo
Microprocesadores comerciales
Lista de fabricantes originales de familias de CPUs.
AMD
Cyrix
IDT
Intersil
MOS Technology
National Semiconductor
NexGen
Rise Technology
Sun Microsystems
Transmeta
VIA
Western Electric
ARM
Digital Equipment Corporation
Intel
MIPS Technologies
Motorola
NEC
RCA
Signetics
Texas Instruments
USSR
Western Design Center
Zilog
Unidad Central de Proceso
La CPU se compone básicamente de 3 unidades: La unidad de control, la unidad
lógico-aritmética y la unidad de memoria.
Unidad Central de Proceso
Program
memory
Program counter
Data
memory
STACK
Instruction reg
Status reg
MUX
Instruction
Decode &
Control
ALU
External reg
Accumulator reg
Diagrama de un CPU básico con sus elementos constituyentes
Conjunto de
instrucciones
35 instrucciones
utilizadas en la familia
de microcontroladores
PIC16
Unidad de control
La unidad de control dirige todo el sistema para llevar a cabo las instrucciones de
programa almacenadas.
La unidad de control se debe comunicar con la memoria principal y con la ALU.
La unidad de control utiliza las instrucciones contenidas en el Registro de Instrucción
para decidir que circuitos necesitan ser activados.
La unidad de control coordina las actividades de las otras dos unidades así como los
periféricos y dispositivos de almacenamiento.
La unidad de control instruye a la ALU sobre que operaciones aritméticas o lógicas se
realizarán.
Ancho de bit en microprocesadores
Los primeros microprocesadores de Intel (el 4004) era de 4 bits. Después vinieron
procesadores que podían procesar 8 bits al mismo tiempo, como el 8008 y el 8080 de Intel
y el Z80 de Zilog.
La PC (en los 80’s) fue inicialmente una computadora de 16 bits. Con el desarrollo del
procesador 80386 se generó el cambio a la arquitectura de 32 bits que se sigue usando
hoy en día.
Ancho
Procesador
Aplicación
4 bit
4004
Calculadoras de bolsillo
8 bit
8080
Computadoras pequeñas basadas en CP/M
(Control Program for Microcomputers)
16 bit
8086, 8088, 80286
PC’s IBM-compatibles corriendo con MS-DOS
32 bit
80386, Pentium 4, AMD
K5, AMD K6, etc.
Versión de 32-bit de Windows(95/98/2000/XP)
64 bit
Athlon 64, Itanium, etc.
Versiones de 64 bits de Windows, Linux, etc.
El modelo von Newmann
John von Neumann, matemático de origen hungaro, desarrolló un modelo
básico para las computadoras que aún se sigue usando.
Él dividió el hardware de la computadora en 5 grupos primarios
* CPU
* Entrada
* Almacenamiento permanente
* Salida
* Almacenamiento de trabajo
COMPUTADORA ACTUAL
ENTRADA
BUSES
Teclado, ratón
Scanner
Cámara digital
ENTRADA / SALIDA
Modem, ISDN
Tarjeta de sonido
Tarjeta de video
CPU
ALMACENAMIENTO
DE TRABAJO
SD-RAM
DDR-RAM
Rambus
CONTROLADORES
SALIDA
Pantalla
Impresora
ALMACENAMIENTO
PERMANENTE
Disco duro
CD-ROM
USB-Drive
El modelo von Newmann
La computadora más rápida del mundo, la BlueGene/L de IBM (mostrada en la
imagen), instalada en el Lawrence Livermore National Laboratory, mantiene el
modelo von Newmann.
Mientras una Pc puede ejecutar 100 millones de instrucciones por segundo
(100x106), la Blue Gene/L puede ejecutar 280.6 x 1012 operaciones por segundo
Dispositivos de la PC
Los dispositivos de una PC se pueden dividir en grupos internos y externos.
Dispositivos internos
Tarjeta
madre
Drivers
Tarjetas plugin
Dispositivos externos
CPU, RAM, cache, ROM, circuitos del
Teclado
BIOS, controladores, puertos, buses,
Ratón
ranuras de expansión, USB, AGP, IDE, Joystick
etc.
Pantalla
Disco duro, CD-ROM, DVD, etc.
Impresora
Escaner
Tarjeta de video,
Dispositivos externos
Tarjeta de red,
Cámara digital
Controlador SCSI
Tarjeta de sonido
Modem
Dispositivos de la PC
La PC se puede ver como una serie de subsistemas más o menos
independientes. Al desarrollarse dispositivos y componentes más veloces se
requieren nuevos estándares para que se obtenga un mejor desempeño.
CPU
Disco duro
RAM
Monitor
Red (Internet)
INTERFACES
Ya que la PC es la suma de todos estos subsistemas, se requieren interfaces
entre las fronteras de cada subsistema.
Componente
de Hardware
Componente
de Hardware
Interface
El concepto de interface es algo abstracto. Es más exacto referirse a un
estándar (una serie de reglas para el intercambio de datos) con los siguientes
componentes
Tarjeta
madre
Disco duro
Controlador
Controlador
Cable
Interfaz
INTERFACES
Para la conexión de un disco duro con la tarjeta las dos interfaces más
comunes son SATA Y EIDE
De las terminales
Discos duros SATA de WD
(Serial AT Attachment)
Discos duros EIDE de WD
(Enhanced Integrated Drive Electronics)
Tasa máxima de
transferencia de datos
150 MB/s o 300 MB/s
100 MB/s
Dispositivos por cable
Uno
Dos
Bloque de puentes
8 patas (sin configuración
maestro/esclavo)
10 patas (configuración como único,
maestro, esclavo y CSEL (selección por
cable))
INTERFACES
Para un disco duro como el de la imagen se requiere circuitería para su manejo
y para la interfaz:
INTERFACES
Un disco duro de estado sólido (Solid-state hard drive) se fabrica con la misma interfaz de
los discos duros mecánicos. Consumen menos potencia, son menos frágiles, más
silenciosos, generlamente tienen menos tiempo de acceso y de espera.
Son más costosos. Como ejemplo, un disco duro de 255 GB mecánico cuesta $50
dólares, mientras su contraparte de estado sólido, $500.00. Aunque los precios siguen
bajando para estos últimos
TARJETA MADRE
La tarjeta madre es el componente más importante de una PC. Se puede
entender como la unidad central de todo el sistema que forma una PC.
TARJETA MADRE
Conector de la fuente de alimentación
TARJETA MADRE
Soquets PCI
TARJETA MADRE
Puertos de conexión
TARJETA MADRE
ROM-BIOS y batería
TARJETA MADRE
TAREA: Obtener de su computadora los siguientes datos:
CPU
Chipset
Memoria RAM
Tarjeta de gráficos
Tarjeta de red
Ranuras de expansión
Puertos de entrada salida
Interfaz de disco duro
Pantalla
CD-ROM o DVD
Fuente de alimentación
Consumo de energía
EL CPU
El CPU (Central Processing Unit) realiza todo el procesamiento de datos. Lleva
a cabo cálculos y movimiento de datos.
Como procesa los datos depende del programa. El programa puede ser una
hoja de datos, un procesador de textos, un video o un juego: para el CPU no
hay diferencia ya que de hecho no entiende lo que el programa hace, sólo sigue
órdenes (comandos o instrucciones) contenidas dentro del programa. Estas
órdenes pueden ser, por ejemplo, agregar dos números o enviar una serie de
datos a la tarjeta de video.
EL CPU
Cuando se hace clic en el ícono de un programa, esto es lo que pasa:
* El programa, que está guardado en el disco duro, se transfiere a la memoria
RAM.
* El CPU, utilizando un circuito llamado controlador de memoria, llama los datos
del programa de la memoria RAM.
* Los datos, ahora dentro del CPU, son procesados.
* Lo que pasa después dependerá del programa. El CPU puede continuar
cargando y ejecutando el programa o puede hacer algo diferente con los datos
procesados, como desplegarlos en la pantalla.
EL CPU
En el pasado, el CPU controlaba la transferencia de datos entre el disco duro y
la memoria RAM. Ya que el disco duro es más lento que la RAM, esto hacía
lento al sistema. Este método es llamado PIO (Processor I/O). Actualmente la
transferencia de datos entre el disco duro y la memoria RAM se lleva a cabo sin
el CPU, haciendo el sistema más rápido. Este método es llamado ‘bus
mastering’ o DMA (Direct Memory Access).
Mientras más veloz es el CPU se dice que la PC es más veloz.
Hay tres formas para mejorar el desempeño de una PC:
• Frecuencias de reloj más altas.
• Mayor ancho de bus
• Optimizando el nucleo del procesador y otros componentes para maximizar la
cantidad de trabajo que es hecha por cada ciclo de reloj.
EL CPU
Las arquitecturas de los microprocesadores varia considerablemente de un
diseño a otro (más de un fabricante a otro) pero los elementos principales son
los siguientes:
L2 Cache
FPU
Registros
Unidad de manejo de entrada/salida
L1 Cache
ALU
(datos)
L1 Cache
(instrucciones)
Unidad
de
control
EL CPU
Unidad de control: enlaza los datos de entrada, los decodifica y los envía a la unidad de
ejecución.
Sus componentes son los siguientes:
Secuenciador: sincroniza la ejecución de instrucciones con la velocidad de reloj.
También envía señales de control.
Contador ordinal: contiene la dirección de la instrucción que está ejecutándose.
Registro de instrucción: contiene la siguiente instrucción.
Unidad de instrucción: provee el control del flujo de instrucciones a la unidad de ejecución.
Unidad de ejecución: realiza las tareas asignadas por la unidad de instrucción. Se
compone de los siguientes elementos:
ALU
Floating Point Unit
Status register
Accumulator Register
EL CPU
Unidad de manejo de bus: Maneja el flujo de información entrante y saliente y las
interfaces respectivas.
Level 1 Cache (L1 Cache) Se accesa rápidamente. El tiempo de acceso es cercano al de
los registros internos.
Primera parte: Contiene instrucciones de la RAM que han sido decodificadas.
Segunda parte: Contiene datos de la RAM y datos usados recientemente durante
las operaciones del procesador.
Level 2 Cache (L2 Cache) Es una memoria intermediaria entre el procesador, la cache
interna y la RAM. Tiene un acceso más rápido que la RAM pero más lento que la L1 cache.
Level 3 Cache (L3 Cache) Se encuentra en la tarjeta madre.
EL CPU
Diagrama del procesador Intel 80386
EL CPU
PIPELINING – Esta tecnología permite acelerar la ejecución de instrucciones mediante la
colocación de secuencias en paralelo.
La ejecución de una instrucción por un procesador de 5 pasos es la siguiente:
FETCH – Toma la instrucción del cache
DECODE – Decodifica la instrucción y revisa los operandos
EXECUTE – Ejecuta la instrucción
MEMORY – Accede a la memoria y escribe o lee datos de esta.
WRITE BACK – Graba el valor calculado en un registro.
EL CPU
Diagrama presentando el proceso de pipelining
FETCH – LI, DECODE – DI, EXECUTE – EX, MEMORY – MEM, WRITE BACK - ER
EL CPU
En el mercado de PC’s las marcas dominantes son AMD e Intel
EL CPU
El Intel 80486
EL CPU
El Phenom de AMD
EL CPU
Procesadores actuales de la familia K8 de AMD
Familia K8
Opteron
Familia K10
Opteron
Athlon 64
Phenom
Sempron
Turion
EL CPU
MULTI-THREADING (multi-hilo)
El tipo más simple de multi-hilo es aquel en que un hilo corre hasta que queda
bloqueado, lo cual va a crear un paro largo en el procesador. Este paro puede
deberse a que el dato requerido no se encuentra en la memoria cache, por lo
que el acceso a la memoria RAM requerirá posiblemente cientos de ciclos de
reloj del CPU. En lugar de esperar por dicho dato, un procesador ‘threaded’
cambiará a otro hilo que esté listo para correr. Solamente cuando el dato del hilo
previo está listo, dicho hilo estará en la lista de espera de hilos listos para ser
ejecutados.
EL CPU
FLOATING POINT UNIT
Para realizar operacions de punto flotante, un procesador tiene 3 opciones:
* emular una unidad de punto flotante (mediante una librería)
* tener una unidad de punto flotante agregada en la circuitería.
* tener una unidad de punto flotante integrada
EL CPU
Para las operaciones de punto flotante se utiliza el estandar IEEE 754
S
Exponente
Mantisa
31
30 – 23
22 - 0
Precisión simple
S
Exponente
Mantisa
63
62 – 52
51 - 0
Precisión doble
EL CPU
DYNAMIC FRECUENCY SCALING
También conocida como CPU throttling es una técnica donde un procesador se
hace correr a una frecuencia menor a la máxima para conservar energía.
DYNAMIC VOLTAGE SCALING
También conocida como CPU throttling es una técnica donde un procesador se
hace correr a una frecuencia menor a la máxima para conservar energía.
EL CPU
BENCHMARK RESULT FOR DELL PRECISION 690
Servidor con 2 Procesadores Xeon (doble núcleo) a 3.00 GHz
EL CPU
BENCHMARK RESULT FOR DELL PRECISION 690
Servidor con 2 Procesadores Xeon (doble núcleo) a 3.00 GHz
MDIPS – Millions of Dhrystone Instructions Per Second
EL CPU
BENCHMARK RESULT FOR DELL PRECISION 690
MWIPS – Millions of WhetStone Instructions Per Second
EL CPU
BENCHMARK RESULT FOR DELL PRECISION 690
MWIPS – Millions of WhetStone Instructions Per Second
EL CPU
DEL PRECISION 690
Gen
CPU
AÑO (intr.)
Frecuencia de reloj
Front Side Bus
6
Dual-Core Xeon
5050
Mayo 2006
3000 MHz
667 MT/s
Voltaje
TDP
L2-Cache
Mult
1.25-1.4 V
95 W
2x2048 KiB
18x
I kibibyte = 210 bytes = 1,024 bytes
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
Gen
CPU
AÑO (intr.)
Frecuencia de reloj
No. de
transistores
1
8088
1979
4.77-8 MHz
29,000
2
80286
1982
6-12.5 MHz
134,000
3
80386
1985
16-33 MHz
275,000
4
80486
1989
25-100 MHz
1,200,000
5
Pentium
Pentium MMX
1993
1997
60-200 MHz
166-300 MHz
3,100,000
4,500,000
6
Pentium Pro
Pentium II
Pentium III
1995
1997
1999
150-200 MHz
233-450 MHz
450-1200 MHz
5,500,000
7,500,000
28,000,000
7
Pentium 4
2000
2002
2003
2004
1400-2200 MHz
2200-2800 MHz
2600-3200 MHz
2800-3600 MHz
42,000,000
55,000,000
55,000,000
125,000,000
Prescott
BUSES
En el diseño original de la PC (la IBM XT), el CPU, la RAM y los dispositivos I/O estaban
conectados a través de un único bus, y todo trabajaba síncronamente (a la misma
velocidad).
El problema con este sistema es que los tres componentes estaban atados unos a otros,
tenían que trabajar a la frecuencia de reloj más baja.
BUSES
LA PRIMERA DIVISIÓN DEL BUS
En 1987 Compaq impactó con la idea de separar el bus del sistema del bus I/O, de tal
forma que los dos buses pudieran trabajar a diferentes velocidades. En la figura el CPU y
la RAM están conectadas a un bus común, llamado bus del sistema. Los dispositivos I/O
(disco duro, floppy, tarjeta de gráficos, etc.) fueron separados del bus del sistema y
colocados en un bus de baja velocidad. Esto porque estos dispositivos no podían
competir con las frecuencias de las nuevas versiones de CPUS.
BUSES
LA PRIMERA DIVISIÓN DEL BUS
La conexión entre los dos buses se manejaba por un controlador que funciona como un
“puente” (bridge) entre las dos vías. Este sistema fue el pionero de las arquitecturas
multibus que todas las tarjetas madres utilizan actualmente.
BUSES
MULTIPLICACIÓN POR DOS DEL RELOJ
Con la introducción del 80486, la frecuencia de reloj del CPU se podía incrementar tanto
que la RAM no podía soportarla. Por lo tanto Intel comenzó a utilizar la multiplicación x2
de la señal de reloj.
La RAM disponible en ese tiempo no podía trabajar a los 66MHz que podía trabajar un
80486. La solución fue proporcionar al CPU dos velocidades de trabajo.
Una frecuencia de reloj externa
Una frecuencia de reloj interna
Dentro del procesador, la frecuencia de reloj del bus del sistema se multiplica por un
factor de 2, duplicando la frecuencia de trabajo.
BUSES
MULTIPLICACIÓN POR DOS DEL RELOJ
Pero este sistema imponía grandes demandas en la RAM, porque cuando el CPU
procesa internamente el doble de datos, tiene que ser alimentado más frecuentemente. El
problema es que la RAM trabaja solamente a la mitad de la velocidad del CPU.
Por esta razón el 486 tenía una cache L1. Esta cache no mejora el ancho de banda, pero
asegura una mayor eficiencia en la transferencia de datos al CPU, de tal forma que éste
podía recibir datos adecuadamente.
BUSES
MULTIPLICACIÓN POR DOS DEL RELOJ
La multiplicación del reloj x2 hizo posible para Intel desarrollar procesadores con mayores
frecuencias de reloj. Cuando el Pentium fue introducido, había nuevos módulos de RAM,
y el bus del sistema se incrementó a 66 MHz.
En el caso de los Pentium II y III, el bus del sistema se incrementó a 100 y 133 MHz, con
la frecuencia interna del CPU trabajando a un múltiplo de estos.
BUSES
En esta imagen se puede observar:
El ‘front-side bus’ que conecta el CPU con el
‘northbridge’.
El ‘northbridge’ conecta el CPU con la memoria
RAM y la ranura de expansión AGP o PCI
Express.
El ‘southbridge’ conecta el ‘northbridge’ con las
ranuras PCI, controladores integrados, el BIOS
y los puertos de entrada salida.
El ‘northbridge’ se conecta al ‘southbridge’ a
través de un bus interno conocido como ‘link
channel’
BUSES
El ancho de banda del Front Side Bus (FSB) que transmite datos entre el CPU y
el ‘north bridge’ se obtiene de multiplicar el ancho del bus, la frecuencia de reloj
y el número de datos transferidos por ciclos de reloj.
Por ejemplo: un FSB de 32-bit (4 byte) de ancho, con una frecuencia de
operación de 200 MHz y ejecuta 4 transferencias por ciclo de reloj tiene un acho
de banda de:
(4 byte)(200MHz)(4) = 3200 megabytes por segundo (MB/s)
La frecuencia a la cual un procesador trabaja se determina mediante la
aplicación de un multiplicador de reloj a la frecuencia del FSB. Por ejemplo, un
procesador trabajando a 3200 MHz puede estar utilizando un FSB a 400 MHz.
Esto significa que hay un multiplicador interno de 8.
BUSES
El ‘north bridge’ generalmente maneja la comunicación entre el CPU, RAM, AGP
o CPI Express y el ‘southbridge’. Algunos northbridges también contienen
controladores integrados de video.
Ya que diferentes CPUs y RAM requieren diferente señalización, un northbridge
usualmente trabajará solamente con una o dos clases de CPUs y generalmente
un solo tipo de RAM.
El northbridge es el factor más prominente para definir el número, velocidad y
tipo de CPU(s) y la cantidad, velocidad y tipo de RAM.
VIA P4X266A
Intel P35
BUSES
El ‘south bridge’ usualmente maneja los componentes más lentos de la
computadora. Estos generalmente incluyen:
Bus PCI
Bus ISA o Bridge LPC: éste último conecta dispositivos de bajo ancho de banda
como puertos serial y paralelo, teclado, mouse, controlador de floppy disk.
Bus SPI: generalmente usado para firmware (e.g. BIOS)
SMBus: se usa para comunicarse con otros dispositivos en la computadora
(sensores de temperatura, controladores de ventiladores)
Controlador DMA: este controlador permite dispositvos ISA o LPC acceso
directo a la memoria principal sin necesidad de ayuda del CPU.
Controladores IDE (SATA o PATA)
SISTEMA DE MEMORIA
Las memorias RAM (Random Access Memory) actuales generalmente guardan los
bits de datos en los estados de flip-flops, como en una SRAM (static RAM), o como
cargas en capacitores (o compuertas de transistores), como en una DRAM (dynamic
RAM), EPROM, EEPROM y FLASH.
SRAM (Static RAM)
DRAM (Dynamic RAM)
FPM (Fast Page Mode DRAM)
EDO RAM (Extended Data Out DRAM)
BEDO RAM (Burst Extended Data Out RAM)
SDRAM (Synchronous DRAM)
DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)
DDR2 SDRAM
DDR3 SDRAM
SISTEMA DE MEMORIA
Fabricantes de memoria RAM
Ventas anuales
Cypress Semiconductor
Freescale Semiconductor
Fujitsu
Hynix Semiconductor
Integrated Device Technology
Kingston Technology Co
Lenovo Group
Maxwell Technologies
Micron Technology
Mosaid
NEC Corp
Samsung
$1.1 mil millones
$5.8 mil millones
$52 mil millones
$8.2 mil millones
$805 millones
$3.8 mil millones
$14.6 mil millones
$54 millones
$5.1 mil millones
$57 millones
$45 mil millones
$65.2 mil millones
SISTEMA DE MEMORIA
Diferentes tipos de RAM
Tipo de RAM
Pines
Ancho Uso
SD RAM
168
64 bit
Tipo viejo y lento
Rambus RAM
184
16 bit
RAM avanzada. Se uzo con pocos Pentium 4 y ciertos
chipsets de Intel
DDR RAM
184
64 bit
Una versión más avanzada de SD RAM. Usada por Athlon y
Pentium 4. 2.5 V
DDR2 RAM
240
64 bit
Nueva versión de DDR RAM con frecuencias de reloj más
altas. 1.8 V
Un módulo de DDR RAM de 512MB
SISTEMA DE MEMORIA
Ancho de Banda
El ancho de banda máximo teórico se puede calcular de multiplicar la frecuencia de
reloj con el ancho de banda
Tipo de módulo
Uso
SD RAM, PC100
800 MB/sec
SD RAM, PC133
1064 MB/sec
Rambus, PC800
1064 MB/sec
Rambus, Dual PC800
3200 MB/sec
DDR 266 (PC2100)
2128 MB/sec
SISTEMA DE MEMORIA
Ancho de Banda
El ancho de banda máximo teórico se puede calcular de multiplicar la frecuencia de
reloj con el ancho de banda
Tipo de módulo
Uso
DDR 333 (PC2700)
2664 MB/sec
DDR 400 (PC3200)
3200 MB/sec
DUAL DDR PC3200
6400 MB/sec
DUAL DDR2-400
8600 MB/sec
DUAL DDR2-533
10600 MB/sec
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
Year
CPU
Tecnología (ancho de guía)
1971
4004
10 micrones
1979
8088
3 micrones
1982
80286
1.5 micrones
1985
80386
1 micrón
1989
80486
1.0/0.8 micrones
1993
Pentium
0.8/0.5/0.35 micrones
1997
Pentium II
0.28/0.25 micrones
1999
Pentium III
0.25/0.18/0.13 micrones
2000-2003
Pentium 4
0.18/0.13 micrones
2004-2005
Pentium 4 “Prescot”
0.09 micrones
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
Otra medida del CPU es el tamaño del chip (o die size). Es el tamaño de
la hoja de silicon que contiene todos los transistores.
Pentium Pro con 256 KB L2 cache (la cache esta del lado izquierdo)
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
CPU
Ancho de
guía
Tamaño de chip
No. de
transistores
Pentium
0.8
294 mm2
3.1 x106
Pentium MMX
0.28
140 mm2
4.5 x106
Pentium II
0.25
131 mm2
7.5 x106
Athlon
0.18
184 mm2
22 x106
Pentium III
0.18
106 mm2
28 x106
Pentium III
0.13
80 mm2
28 x106
Athlon XP
0.18
128 mm2
38 x106
Pentium 4
0.18
217 mm2
42 x106
Pentium 4
0.13
145
55 x106
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
CPU
Ancho de
guía
Tamaño de chip
No. de
transistores
Athlon XP+
0.13
115 mm2
54 x106
Athlon 64 FX
0.13
193 mm2
106 x106
Pentium 4
0.09
112 mm2
125 x106
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
Los microprocesadores se fabrican mediante planchas (wafers) como la
de la figura y que contiene cientos de núcleos de procesadores.
Un ténico de Intel sostiene una plancha.
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
Al tener más y más largas ‘pipelines’, los procesadores pueden ejecutar
más instrucciones al mismo tiempo.
CPU
Instrucciones ejecutadas
al mismo tiempo
AMD K6-II
24
Intel Pentium III
40
AMD Athlon
72
Intel Pentium 4
(primera generación)
124
EL CPU
EVOLUCIÓN DEL PROCESADOR
Largo de la ‘pipe’.
CPU
Número de secciones de la pipeline
Frecuencia máxima de
reloj
Pentium
5
300 MHz
Motorola G4
4
500 MHz
Motorola G4e
7
1000 MHz
Pentium II y III
12
1400 MHz
Athlon XP
10/15
2500 MHz
Athlon 64
12/17
>3000 MHz
Pentium 4
20
>3000 MHz
Pentium 4 -Prescott
31
>5000 MHz
UNIDAD DE PUNTO FLOTANTE
GRÁFICOS 3D
Mucho del desarrollo de los CPU’s ha
sido impulsado por los juegos 3D.
Generalmente estos juegos, que pueden
cambiar en espacios 3D, están
construidos por pequeños polígonos
(generalmente triángulos o rectángulos).
Un personaje de un juego de PC puede
estar construido de 1500 de tales
polígonos. Cada vez que la imagen
cambia, estos polígonos tienen que
redibujarse en una nueva posición, por lo
que cada esquina (o vortex) tiene que ser
recalculado.
UNIDAD DE PUNTO FLOTANTE
GRÁFICOS 3D
Para darnos una idea de la carga que
esto implica, para un dibujo hecho de, por
ejemplo, 1,000 polígonos, se tienen que
realizar hasta 84,000 multiplicaciones de
pares de números de punto flotante de 32
bits.
Para poder optimizar esta carga de
trabajo hay varias opciones:
UNIDAD DE PUNTO FLOTANTE
GRÁFICOS 3D
CPUs más rápidos.
Mejoras a la FPU del CPU, usando más ‘pipelines’ y otras formas de aceleración.
Nuevas instrucciones para calculos 3D más eficientes.
UNIDAD DE PUNTO FLOTANTE
GRÁFICOS 3D
•Instrucciones MMX
•3DNow!
•SSE
•SSE2 y SSE3
Siguiente tema
Instrucciones MMX
• Fue la primer iniciativa (MMX por multimedia extension)
• Fue integrada con el procesador Pentium MMX en 1997
• Las ediciones anteriores de los Pentium tenian 2 tipos de registros: uno
para enteros de 32-bit y otro para números decimales de 80-bit
• MMX es una extensión del conjunto de instrucciones existentes (IA32). Son
57 instrucciones nuevas que requieren nuevos programas para ser
explotadas.
• Tuvo éxito limitado. Su debilidad fue que los programas tenían que trabajar
con MMX o con la UPF y no con los dos al mismo tiempo, ya que los sets de
instrucciones compartian los mismos registros
3DNow!
• AMD introdujo este set de instrucciones en el verano de 1998
• Son 21 SIMD (Single Instruction Multiple Data)
• Fue un gran éxito. Estas instrucciones se integraron rápidamente en
Windows, en varios juegos (y otros programas) y en los controladores de
fabricantes de hardware
SSE
• Fue introducido en enero 1999 en el Pentium III
• Es más poderoso que 3DNow. Los cambios que se hicieron en el CPU son:
• 8 registros de 128-bit nuevos, que pueden contener 4 números de 32-bit al
mismo tiempo.
• 50 instrucciones SIMD nuevas, lo que hizo posible realizar cálculos
avanzados de varios números de punto flotante con sólo una instrucción.
• 12 instrucciones New Media diseñadas, por ejemplo, para la codificación y
decodificación de corrientes de video MPEG-2
• 8 instrucciones nuevas Streaming Memory, para mejorar la interacción entre
la cache L2 y la RAM
SSE2 y SS3
• Con el Pentium 4 se extendió SSE para usar técnicas más avanzadas
• Contiene 144 instrucciones nuevas, incluidas operaciones de enteros de
128-bit SIMD y de punto flotante de doble precisión de 128-bit SIMD
• SS2 puede reducir el número de instrucciones requeridas para llevar a cabo
una tarea. Intel menciona las áreas de video, reconocimiento del habla,
procesamiento de imágenes/fotos, encriptamiento y programas
financieron/científicos, como los que más se beneficiarán. Estos programas
se tienen que reescribir para explotar las nuevas instrucciones.
DATOS PARA EL MONITOR
Las pantallas nos muestran una representación gráfica del software que se
carga y está activo en el CPU. Pero la pantalla tiene que ser alimentada con
datos para poder mostrar una imagen. Estos datos vienen de la tarjeta de
video, que es un controlador.
Las pantallas pueden ser analógicas (los monitores en proceso de extinción
CRT) o digitales, como las pantallas LCD modernas. En cualquier caso, la
pantalla tiene que ser controlada por la PC (el CPU). El control de la pantalla
tiene lugar cuando se utiliza una tarjeta de video.
Las tarjetas de video vienen en dos formas:
•Como una tarjeta plug-in
•Como chips integrados en la tarjeta madre.
DATOS PARA EL MONITOR
Tradicionalmente las tarjetas de video estaban conectadas como un
dispositivo I/O (bus ISA – 8MB/S 16bit). A final de los 90 ya se conectaban a
través del bus PCI, que tiene un ancho de banda máximo de 133 MB/S
(32bit). Esto generó un cuello de botella para aplicaciones que demandaban
grandes cantidades de datos para el monitor, como los video juegos.
DATOS PARA EL MONITOR
Se cambió el canal para video al desarrollar el puerto AGP (Accelerated
Graphics Port). Este puerto se localiza cerca del chip ‘north bridge’
DATOS PARA EL MONITOR
Se cambió el canal para video al desarrollar el puerto AGP (Accelerated
Graphics Port). Este puerto se localiza cerca del chip ‘north bridge’
DATOS PARA EL MONITOR
Esta nueva arquitectura da acceso óptimo a la RAM, por lo tanto al ancho de
banda requerido por los video juegos
DATOS PARA EL MONITOR
Esta nueva arquitectura da acceso óptimo a la RAM, por lo tanto al ancho de
banda requerido por los video juegos
DATOS PARA EL MONITOR
Y se encuentran tarjetas como la NVIDIA Quadro FX 5500G PCI-e Video
Card con un costo aproximado de $3000.00 dólares.
Características:
Procesador gráfico NVIDIA Quadro FX 5500
Interfaz PCI Express x16
Memoria de video de 1GB
Resolución máxima 3840x2400 /24Hz
2 salidas DVI-I-29 pin
2 RJ-45
2 adaptadores DVI-VGA incluidos
DATOS PARA EL MONITOR
Detalles técnicos del bus AGP
Una estructura de bus desarrollada alrededor del bus PCI de doble frecuencia
La capacidad de utilizar la RAM de la tarjeta madre como chache de textura
La cache de textura se utiliza en los video juegos, entonces, teniendo acceso a la
RAM de la tarjeta madre, menos RAM se requiere en las tarjetas.
El bus AGP es realmente una versión de 64-bit del bus PCI.
La primera versión del AGP fue la 1X, con un ancho de banda de 254 MB/S.
Rápidamente salió un nuevo modo, llamado 2X, con 508 MB/S.
Después salieron el 4X y 8X, que son los estándares actuales. Estos involucran el
duplicado de la frecuencia, entonces 2 o 4 paquetes de datos se envían en cada
pulso de reloj. De esta forma se han alcanzado 2,032 MB/S.
DATOS PARA EL MONITOR
Cache de textura y RAMDAC
Las texturas son cosas como los fondos en los juegos. Estos pueden cargarse
directamente de la RAM a la tarjeta de video. El sistema se llama DIME (Direct
Memory Execute).
En la figura se ve
también el dispositivo
RAMDAC. Este chip
se encarga de la
transformación de
datos digitales a
señales analógicas,
cuando la tarjeta se
conecta a una
pantalla analógica. El
RAMDAC es un
pequeño procesador
completo.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
La tabla da una descripción de los buses que se han desarrollado en torno
a las microcomputadoras.
BUS
Descripción
PC-XT en 1981
Bus de E/S de 8-bit síncrono que tenía la frecuencia de reloj del CPU. Ancho de
banda: 4-6 MB/S
ISA (PC-AT) en 1984
Bus de E/S simple y barato. Síncronizado con el CPU. Ancho de banda: 8MB/S
MCA en 1987
Bus de E/S avanzado de IBM. Asíncrono, de 32-bit a 10 MHz. Ancho de banda:
40MB/S
EISA en 1988
Bus de E/S avanzado, utilizado sobre todo en servidores. Asíncrono, de 32-bit a
8.33MHz. Ancho de banda: 32MB/S
VESA en 1993
Bus de E/S simple de alta velocidad. De 32-bit sincronizado con el CPU a 33,
40, 50MHz. Ancho de banda: hasta 160MB/S
PCI en 1993
Bus de E/S avanzado, general, de alta velocidad. Asíncrono de 32-bit a 33MHz.
Ancho de banda: 133MB/S
USB y Firewire, en 1998
Buses seriales para equipo externo
PCI Express
Bus serial para tarjetas de E/S de alta velocidad. Reemplaza al PCI y AGP.
Ancho de banda: 500MB/S por canal.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
BUS PCI
Fue desarrollado por Intel. Puede ser utilizado con procesadores de 32 y 64-bit.
Tiene un buffer que opera entre el CPU y los dispositivos periféricos (una especie de
cache).
Tiene incluido el estandar Plug and Play. Esto significa que todas las tarjetas PCI
son autoconfigurables. Las especificaciones para Plug and Play fueron desarrolladas
por Intel y Microsoft entre otros y la idea era que uno pudiera instalar un adaptador e
inmediatamente trabajara.
Para trabajar todos los componentes involucrados (adaptador, tarjeta madre y
Windows) tienen que ser compatibles con Plug and Play.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
ESCD
En conexión con Plug and Play está el sistema ESCD (Extended System
Configuration Data). Es un área de datos pequeña que se guarda en el
almacenamiento del CMOS de la tarjeta madre.
El ESCD se utiliza para guardar información de la configuración. Esto para que la
tarjeta madre no tenga que volver a realizar todo el proceso de Plug and Play en
cada inicio.
Este sistema permite al usuario cambiar manualmente una IRQ o DMA para un
adaptador en particular.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
Desarrollo del PCI Express
Las compañías más importantes (Intel, IBM, Apple, etc.) formaron el PCI Special
Interest Group (www.pcisig.com) para estandarizar y coordinar el nuevo bus PCI
Express. Este bus es el sucesor del bus PCI. Es un nuevo tipo de bus de E/S que
utiliza una conexión serial.
Este nuevo bus será extremadamente escalable, ya que trabaja con un gran número
de canales (X1, X2, X16, etc.) cada uno con un ancho de banda de alrededor de
250MB/S en ambas direcciones, simultaneamente.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
Desarrollo del PCI Express
El estandar planea el uso de tarjetas plug-in y dispositivos en varias categoría, con
diferentes anchos de banda y consumo de potencia. Una tarjeta X16, por ejemplo,
tendrá un total de ancho de banda de 8GB/S.
PCI Express está basado en una arquitectura serial, haciendo posible el desarrollo
de dispositivos económicos y pequeños con pocos pines. El nuevo bus de E/S podra
co-existir inicialmente con la interfaz PCI, pero el objetivo es que PCI Express
reemplace tanto al PCI como al AGP.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
Desarrollo del PCI Express
En la imagen se ven dos ranuras PCI Express de color negro. La de la izquierda es
para tarjetas de gráficos 16X. La de la derecha es una ranura pequeña 1X. Entre
ambas están 2 ranuras PCI.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
Desarrollo del PCI Express
En la figura se ven tres conexiones PCI
Express. Cada línea de conexión contiene
2 pares de cables, un o para enviar y otro
para recibir.
Los paquetes de información se
transmiten a una razón de 1 bit por cada
ciclo.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
Desarrollo del PCI Express
En la figura se ve un ejemplo de
conectores para varios canales
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
Desarrollo del PCI Express
Ejemplo de una tarjeta PCI Express 1X
para 2 puertos SATA II.
EVOLUCIÓN DE LOS BUSES I/O
Desarrollo del PCI Express
PCI Express 2.0 duplica el ancho de banda del bus
BUSES DE E/S E IRQ’S
Los buses de E/S están diseñados para mover datos. Los datos se transfieren de un
dispositivo de E/S a otro y de los dispositivos de E/S al CPU y la RAM.
A nivel físico, el bus PCI consiste de un determinado número de líneas paralelas en la
tarjeta madre. Estas líneas se utilizan para:
• Líneas de datos, cada una puede mover un bit a la vez.
• Líneas de dirección, que indican hacía donde deben enviarse los datos.
• Líneas para señal de reloj, IRQ’S DMA, potencia, etc.
BUSES DE E/S E IRQ’S
Interrupciones de hardware
Para manejar el tráfico en los buses de E/S se utiliza un sistema llamado IRQ (de
Interrupt Request – Solicitud de Interrupción)
Las interrupciones son uno de los fundamentos de la arquitectura de la PC. Hay dos
tipos:
Interrupciones de software: se utilizan para llamar un gran número de rutinas del BIOS.
Interrupciones de hardware: Son las utilizadas por los dispositivos de E/S
BUSES DE E/S E IRQ’S
Interrupciones de hardware
Una señal de interrupción se puede entender como un timbre de puerta utilizado por
varios adaptadores PCI y otros dispositivos.
Al activar una señal IRQ solicitan atención del CPU. Esto permite interrumpir al CPU de
su trabajo presente.
Cuando el CPU registra una señal de interrupción, sabe que el dispositivo quiere solicitar
o enviar datos, o a terminado de hacerlo.
BUSES DE E/S E IRQ’S
Interrupciones de hardware
En las computadoras basadas en x86 había dos controladores de interrupción
programable o Programmable Interrupt Controller (PIC). Uno funcionando como maestro
y el otro como esclavo, cada uno controlando 8 interrupciones, por lo que se tenía una
serie de interrupciones conocidas como IRQ0 a IRQ15.
BUSES DE E/S E IRQ’S
Interrupciones de hardware
PIC MAESTRO
IRQ0 – Temporizador del sistema
IRQ1 - Teclado
IRQ2 – Señales en cascada de IRQs 8 - 15
IRQ3 – COM2 (o COM4)
IRQ4 – COM1 (o COM3)
IRQ5 – LPT2 (o tarjeta de sonido)
IRQ6 – Controlador del Floppy disk
IRQ7 – LPT1 (o tarjeta de sonido)
BUSES DE E/S E IRQ’S
Interrupciones de hardware
PIC MAESTRO
IRQ8 – Reloj de tiempo real (RTC)
IRQ9 - Libre
IRQ10 – Libre
IRQ11 – Libre
IRQ12 – Conector PS/2
IRQ13 – ISA / coprocesador matemático
IRQ14 – IDE primario
IRQ15 – IDE secundario
BUSES DE E/S E IRQ’S
Interrupciones de hardware
Los dos grupo de interrupciones están ligados mediante la interrupción IRQ2
0
1
2
8
3
9
4
5
6
10
11
12
7
13
14
15
Ya que la prioridad va del IRQ más bajo al más alto, el orden de prioridad es:
0 > 1 > 8 > 9 > 10 > 11 > 12 > 13 > 14 > 15 > 3 > 4 > 5 > 6 > 7
BUSES DE E/S E IRQ’S
IRQ’s compartidos
Con el progreso de las computadoras, hubo necesidad de más IRQ’s. Como el sistema
de IRQ’s es parte fundamental de la arquitectura de las computadoras, para agregar
más IRQ’s se hubieran tenido que cambiar las instrucciones del CPU y los sistemas
operativos. Y las nuevas PC’s no hubieran podido correr programas anteriores.
Para mantener la compatibilidad se utilizó una estrategia diferente: utilizar IRQ’s
compartidos. Y el sistema trabaja.
En los sistemas actuales los dos PIC’s están integrados en un solo controlador llamado:
Advanced Programmable Interrupt Controller.
BUSES DE E/S E IRQ’S
DMA y el manejo del bus
DMA (Direct Memory Access) es un sistema en la tarjeta madre que permite a un
adaptador transferir datos a la RAM – sin requerir intervención del CPU.
Este chip controlador (Intel 8237, generalmente integrado en el south bridge) permite
mover datos hacia y de la RAM, via el bus de E/S.
La tarjeta madre tiene un número de canales DMA, cada uno con un número asignado.
En los dispositivos ISA, cada uno podía solicitar un canal DMA.
En el bus PCI no hay canales DMA directos. En su lugar se utiliza ‘bus mastering’. Es un
sistema similar, donde funciones especiales del controlador permiten a los adaptadores
controlar el bus.
BUSES DE E/S E IRQ’S
DMA y el manejo del bus
Con este sistema la PC es realmente multitarea. Esto es, puede manejar varias tareas al
mismo tiempo.
BUSES DE E/S E IRQ’S
Mapeo de memoria E/S
Cada dispositivo, adaptador, puerto, tiene su propia dirección. Es llamada un número de
puerto de E/S. Esta dirección de E/S es necesaria para que el CPU o la RAM puedan
tomar y enviar datos de y hacia un dispositivo. La forma en que se lleva a cabo dentro de
la PC se llama mapeo de memoria de E/S
BUSES DE E/S E IRQ’S
Mapeo de memoria E/S
Cuando se quiere enviar datos, por ejemplo a la tarjeta de sonido, esto se lleva a cabo a
través de uno o más puertos de E/S. Estos puertos están localizados en la RAM.
Así, cuando se quieren enviar datos a la tarjeta de sonido, estos se envían a un área
particular de la RAM. Entonces la tarjeta de sonido está lista para tomar los datos desde
el mismo lugar, tan pronto como reciba la señal del controlador de interrupciones.
BUSES DE E/S E IRQ’S
Mapeo de memoria E/S
Vista del
manejador de
dispositivos con
las direcciones
de E/S
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Funciones del ‘south brige’
Un ‘south bridge’ típico ICH6 de Intel contiene los siguientes componentes y funciones:
Componente
Descripción
DMI
Direct Media Interface – es la conexión a la memoria con un ancho de banda
máximo de 2 GB/s
PCI Express
Bus de E/S de alta velocidad
PCI ports
Bus de E/S estandar
Serial ATA
Controlador para hasta cuatro discos duros SATA
Ultra ATA/199
Controlador para dispositivos PATA como discos duros, DVD y CDs
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Funciones del ‘south brige’
Un ‘south bridge’ típico ICH6 de Intel contiene los siguientes componentes y funciones:
Componente
Descripción
Puertos USB
Puertos de alta velocidad USB 2.0
Audio de 7.1
canales
Opción para dispositivos de sonido integrados con envolvente (surround),
Dolby Digital y DTS.
AC97 modem
Modem integrado
Ethernet
Controlador de red integrado 10/100 Mbs
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Funciones del ‘south brige’
Un ‘south bridge’ típico ICH6 de Intel contiene los siguientes componentes y funciones:
Versión del chip
Componente o función agregada
ICH6
Ya definidos
ICH6R
Agrega funcionalidad RAID básica
ICH6W
Agrega un controlador LAN inalámbrico
ICH6RW
Agrega los dos componentes anteriores
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Super I/O
Hay algunos controladores, como el del floppy disk que están faltando. Para ello se
agrega el Super controlador de E/S
Super controlador
de UMC
Super controlador de Winbond
Super controlador
de ITE
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Super I/O
Los principales fabricantes de super controladores son:
Fabricante
Modelos
ALI
M1543 M1543C M1535D Ali5113
Lucky Goldstar
GS82C803B PRIME3C
ITE
ITE8661 ITE8661RF ITE8679 ITE8680 ITE8681
National Semi Conductor
NS307 NS308 NS309 NS317 NS_338 NS351
SIS
SIS6801 SIS950
SMC
FDC37B72X FDC37B78X SMC37C931 SMC37C93X SMC37C93XPM
Winbond
W83627F W83627HF W83627SF W83637HF W83637SF
VIA
VA83C671 VIA686 VT1211 VT8231
UMC
UMC_8663 UMC_8669
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Super I/O
Los principales fabricantes de super controladores son:
Fabricante
Modelos
ALI
M1543 M1543C M1535D Ali5113
Lucky Goldstar
GS82C803B PRIME3C
ITE
ITE8661 ITE8661RF ITE8679 ITE8680 ITE8681
National Semi Conductor
NS307 NS308 NS309 NS317 NS_338 NS351
SIS
SIS6801 SIS950
SMC
FDC37B72X FDC37B78X SMC37C931 SMC37C93X SMC37C93XPM
Winbond
W83627F W83627HF W83627SF W83637HF W83637SF
VIA
VA83C671 VIA686 VT1211 VT8231
UMC
UMC_8663 UMC_8669
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Super I/O
Estos chips se encuentran generalmente en la parte inferior de la tarjeta madre bajo las
ranuras de expansión PCI y son ligeramente más grandes que la uña del dedo pulgar.
Como ejemplo, el super controlador de SMSC LPC47M10x tiene las siguientes
características:
Operación a 3.3 V
Interfaz LPC
Control del ventilador
Interfaz de puerto de juegos dual
Soporte MIDI MPU-401
Controlador de Floppy Disk
Controlador de teclado
Puertos Seriales
Puerto de infrarojo
Puertos paralelos
Puerto PS/2
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Super I/O
Diagrama de bloques
del SMSC LPC47M10x .
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
South bridge
Descripción de las
diversas facilidades
de E/S que ofrece el
‘south bridge’ .
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
Los puertos paralelo y serial
Los puertos paralelo y serial están incluidos en el sistema de E/S. Su controlador está
localizado en el super controlador de E/S.
Las PC’s generalmente vienen con uno (o dos) puertos seriales (generalmente DB9) y
un puerto paralelo (DB25).
Estos puertos generalmente se nombran COM1, COM2 y LPT.
Actualmente se utilizan menos ya que el bus USB está tomando su lugar. Se están
migrando los dispositivos para adaptarse al nuevo bus.
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
TRANSMISIÓN ASÍNCRONA
Transmisión asíncrona significa que los datos se pueden enviar a intervalos regulares.
Lo opuesto es transmisión síncrona, donde se comparte una señal de reloj que controla
el proceso.
En la transmisión serial, se utiliza el protocolo RS232. Para enviar datos que
originalmente son paralelos se utiliza el chip UART (Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter), que también es parte del super controlador de E/S.
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
UART
10110010
00101001
11100000
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
SCSI
SCSI (Small Computer System Interface) es un bus viejo pero avanzado de E/S que se
ha utilizado especialmente para discos duros, CD-ROMs, escáners y unidades de cinta.
Se ha utilizado sobre todo en computadoras de alto desempeño, como servidores o
estaciones de trabajo.
Hay varios estándares SCSI
El bus SCSI puede transferir hasta 160 MB/s.
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
SCSI
Un sistema SCSI está construido alrededor de un controlador central, llamado ‘host
adapter’, el cual es casi una pequeña computadora. El adaptador puede ser bastante
caro si se utiliza, por ejemplo, en discos duros extremadamente rápidos. Sin embargo,
hay adaptadores SCSI más simples, por ejemplo, aquellos que se venden con escáners
SCSI.
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
SCSI
Un adaptador anfitrión puede controlar varios dispositivos SCSI, los cuales se conectan
en serie (en cadena).
Cada dispositivo tiene asignado un número de identificación, y un ‘terminator’se tiene
que colocar en ambos extremos de la cadena. Esto se lleva a cabo, por ejemplo,
colocando un jumper en uno de los dispositivos.
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
SCSI
Hay una gran diversidad de conectores SCSI por lo que se encuentran en el mercado
diversidad de
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks)
Es una tecnología que conecta variso discos duros para formar un sistema avanzado de
corrección de errores, el cual se utiliza en servidores.
El sistema es virtualmente una extensión del estándar SCSI y se utilizó por primera vez
en 1987. Desde entonces, sistemas RAID basados en ATA se han desarrollado los
cuales utilizan una configuración equivalente con los discos ATA o SATA, mucho más
baratos.
Con una cadena de discos RAID se obtienen dos ventajas:
Mayor seguridad. Los datos estan en varios discos. Si un disco falla, los otros discos
contienen los mismos datos.
Transferencia de datos más rápida. El controlador RAID escribe y lee de varios discos al
mismo tiempo. Esto significa que la velocidad de transferencia se puede duplicar o
triplicar.
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks)
Hay varias categorias RAID. Un controlador RAID se tiene que utilizar, el cual es un
adaptador SCSI especial. Algunos de los estándares son los siguientes:
Nivel
Técnica
RAID 0
Dos o más discos se conectan juntos. Los archivos se separan entre ellos. El
objetivo es solamente mayor velocidad, ya que el controlador puede
leer/escribir a varios discos al mismo tiempo.
RAID 1
Se utilizan dos discos duros al mismo tiempo. Solamente se provee de extra
seguridad ya que los datos se escriben doble – primero normalmente y
después al disco espejo. Si el primer disco falla, el segundo lo reemplaza
inmediatamente.
RAID 1/0
Utiliza cuatro discos y combina las dos técnicas anteriores.
RAID 3
Distribuye los datos sobre varios discos y guarda datos de paridad en uno de
ellos.
RAID 5
Mejora tanto desempeño como seguridad. Utiliza al menos tres, aunque
generalmente cuatro discos. Se considera el mejor principio.
E/S Y EL ‘SOUTH BRIDGE’
IEEE 1394 - FireWire
Es una interfaz tipo SCSI, llamada IEEE1394. El estándar es una extensión del
estándar SCSI. Es un bus serial de alta velocidad con una transferencia máxima de
400 Mbit por segundo.
Se pueden conectar y
desconectar de la
computadora sin tener que
reiniciar la PC. Tal como el
USB.
RESUMEN DE BUSES
IEEE 1394 - FireWire
Controlador
Ancho de banda
USB 1.1
1.2 MB/s
USB 2.0
40 MB/s
FireWire
40 MB/s
SCSI
Hasta 160 MB/s
DISCOS DUROS, ATA Y SATA
Historia del disco duro
En 1957 IBM introdujo el primer almacenamiento de disco fijo. Era enorme con 50
discos de 24 pulgadas de diametro (61 cm). Este disco duro pionero tenía una
capacidad de 5MB. Rentarlo costaba $35,000 dólares al año.
Uno de los modelos de IBM se le llamó 3030 y esto en USA llevó a que se le nombrara
Winchester disk (por el popular rifle Winchester 3030).
La primera computadora con disco duro fue la RAMAC de IBM, que se utilizó durante
los juegos olímpicos de 1960 para calcular los resultados de las pruebas.
En 1962 se desarrollaron ‘disk packs’ removibles –un antecedente del floppy disk.
En 1964 fue introducido el algoritmo CRC. Este proveía mayor seguridad al comprobar
y comparar datos antes y después de escribirlos al disco.
DISCOS DUROS, ATA Y SATA
Historia del disco duro
En 1971 los primeros discos de 8 pulgadas salieron al mercado.
No fue si no hasta mediados de los 80’s que la gente comenzó a utilizar discos duros
en PC’s más estándares.
Seagate ST4053, de 1987. Costaba alrededor de
$430.00 dólares
DISCOS DUROS, ATA Y SATA
Historia del disco duro
En 1971 los primeros discos de 8 pulgadas salieron al mercado.
No fue si no hasta mediados de los 80’s que la gente comenzó a utilizar discos duros
en PC’s más estándares.
Seagate ST4053, de 1987. Costaba alrededor de
$430.00 dólares