Fonaments de l'arquitectura de computadors: CPU, memòria i E/S

Arquitectura d'un Computador: Conceptes Bàsics

L'arquitectura d'un computador es pot entendre com el flux de dades d'entrada que, després d'un processament, generen resultats (dades de sortida). Es tracta d'un sistema digital complex, amb una organització modular per optimitzar-ne el funcionament.

Què és un Computador?

Un computador és un sistema digital dissenyat per al processament genèric d'informació.

La Memòria: Emmagatzematge de Dades

La memòria és el component encarregat d'emmagatzemar les dades a processar i els resultats obtinguts, utilitzant una tecnologia específica per a aquesta funció.

La CPU: Unitat Central de Processament

La CPU (Unitat Central de Processament) és el cor del computador. Efectua el processament de les dades d'acord amb el programa establert.

Arquitectura de Von Neumann

L'arquitectura de Von Neumann es caracteritza per tenir el programa emmagatzemat a la memòria. La CPU interpreta les instruccions d'aquest programa que resideix en la memòria principal.

La Unitat de Control

La Unitat de Control duu a terme el cicle d'execució de la instrucció en curs, coordinant totes les operacions necessàries.

El Camí de Dades

El Camí de Dades s'ocupa de realitzar les operacions indicades per la Unitat de Control amb la finalitat de completar l'execució de la instrucció en curs.

Estructura Lògica de la CPU

L'estructura lògica de la CPU es pot desglossar en els següents elements clau:

• Operadors (operacions): Utilitzen recursos de càlcul, principalment la Unitat Aritmètico-Lògica (ALU).
• Operands (dades): S'emmagatzemen en recursos de memòria ràpida anomenats registres.
• Relacions (instruccions): Es gestionen mitjançant interconnexions, com els busos, que són línies d'interconnexió entre dos o més elements.
• Seqüenciació (programa): Controlada per la Unitat de Control, que actua com a mòdul de control general.

Organització de la Memòria d'un Computador

La memòria és un magatzem d'informació (tant dades com instruccions) present en diversos components del computador, incloent-hi la CPU (en els seus registres), la memòria principal i els perifèrics.

Presenta una estructura jeràrquica: a més capacitat, generalment menys rapidesa en l'accés.

En resum, és un magatzem d'informació organitzat en grups de dades que tenen una identificació única i es tracten com una única entitat.

La Memòria Principal

En la memòria principal, els conceptes clau són:

• Un grup de dades es representa com una sèrie de bits.
• La seva identificació és la posició o adreça de memòria.
• L'entitat mínima de dades que es pot tractar és la paraula.

Operacions d'Accés a Memòria

Les operacions d'accés a memòria, realitzades per un altre dispositiu (com la CPU), inclouen:

• Accés: Proporcionar la identificació (adreça) del grup de dades (unitat de memòria).
• Lectura/Escriptura: Indicar si l'accés s'ha fet per:
  • Obtenir un grup de dades (lectura).
  • Gravar-hi un grup de dades (escriptura).

Característiques de la Memòria Principal

A continuació, es detallen les característiques principals de la memòria:

• Contingut: Paraula de memòria.
• Posició: Adreça de memòria.
• Capacitat: Mesurada en paraules de memòria.
• Accés: Als continguts per adreça/posició, ja sigui per lectura o escriptura.

Memòries Cau (Cache): Optimització de Rendiment

Les memòries cau (cache) són memòries "amagades" o transparents als components entre els quals s'interposen. La seva funció principal és millorar els mecanismes de transferència de dades.

• La CPU percep la memòria principal com a més ràpida gràcies a la cache.
• La memòria principal percep una memòria secundària de característiques similars en velocitat i unitats de transferència.

Controlador de Cache i Accés

El Controlador de Cache gestiona el funcionament de la memòria cau, permetent l'escriptura per posició i la lectura per contingut.

L'accés des de la CPU pot ser:

• Encertat: L'operació es realitza directament sobre la memòria cau.
• Errat: Es requereix una còpia del bloc de memòria principal a la cache abans de realitzar l'operació.

La memòria cau serveix per adaptar diferents velocitats d'operació entre la CPU i la memòria. N'hi ha de diversos nivells (L1, L2, L3) per fer l'adaptació més progressiva i eficient.

Transferència de Dades: E/S i DMA

La transferència de dades amb buffer de memòria pot realitzar-se de dues maneres principals:

• E/S programada: Requereix la intervenció directa de la CPU per a cada transferència.
• Amb Unitat de Direct Access Memory (DMA): Una unitat dedicada s'ocupa de la transferència de dades directament entre perifèrics i memòria, alliberant la CPU d'aquesta tasca.

Comunicacions amb l'Exterior: Mòduls d'E/S

Les comunicacions amb l'exterior del computador es realitzen mitjançant mòduls d'entrada/sortida (E/S). Aquests mòduls es connecten al bus del sistema o a un commutador central i controlen un o més dispositius perifèrics.

Actuen com a pont entre el perifèric i el processador, adaptant:

• Les maneres de funcionament.
• Els formats de dades.
• Les característiques de treball dels dispositius.