Fundamentos de Computadores - ditec.um.esditec.um.es/~jpujante/documentos/BoletinYEjercicios4.pdf · memoria, discos duros, la fuente de alimentación, refrigeradores, etc. De esta

Universidad de MurciaFacultad de Informática

TÍTULO DE GRADO EN

INGENIERÍA INFORMÁTICA

Fundamentos de ComputadoresTema 4: Introducción a la arquitectura de computadores

Boletines de prácticas y ejercicios

CURSO /

Departamento de Ingeniería y Tecnología de Computadores

Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores

Tema 4: Introducción a la arquitectura de computadores Fundamentos de Computadores

Índice general

I. Boletines de prácticas 2B4.1.Boletín 1: Desensamblado y montaje de un equipo . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 2

B4.1.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2B4.1.2. Plan de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2B4.1.3. Organización de un PC moderno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 2B4.1.4. Desensamblado y montaje de un PC no operativo . . . . . . . . . . . . . .. . . . 7

II. Ejercicios 12

1


Boletines de prácticas

B4.1. Boletín 1: Desensamblado y montaje de un equipo

B4.1.1. Objetivos

En esta sesión se mostrarán los principales componentes hardware de un PC de sobremesa, discutien-do su funcionalidad, posibilidades de configuración y conexión. En concreto, se abrirá la carcasa de unPC actual proporcionado por el profesor y se procederá a desmontar sus principales componentes, parafinalmente volverlo a montar y dejarlo tal y como estaba al comienzo. La prácticase realizará en gruposreducidos de 6-8 alumnos con la ayuda y supervisión del profesor.

B4.1.2. Plan de trabajo

El plan de trabajo de esta sesión será el siguiente:

1. Lectura de los apartados del boletín en los que se discuten cómo los distintos elementos que com-ponen un PC moderno se conectan a la placa base, así como los pasos necesarios para llevar a caboel desensamblado de un equipo y su posterior montaje.

2. Prestar atención a las explicaciones del profesor sobre los elementosque componen un PC moderno,sus características más importantes y su conexión a la placa base.

3. Realización, en grupos de seis-ocho personas con la ayuda del profesor, de dichos pasos, compro-bando las caracterísiticas de cada uno de los componentes que conformanel PC sobre el que setrabaja.

4. Consulta del manual de la placa madre del PC examinado.

B4.1.3. Organización de un PC moderno

Vamos a analizar en primer lugar la organización de un PC actual y más concretamente cómo losdistintos elementos que pueden encontrarse en cualquier PC se conectan auna placa base.

La placa base es el elemento central del PC, puesto que a ella se conectanla CPU, los módulos dememoria, discos duros, la fuente de alimentación, refrigeradores, etc. Deesta forma, la funcionalidad yrendimiento de un PC van a estar condicionados en buena parte por la elección de la placa base. En lafigura I.1 se muestra una placa base moderna. En particular, se incluye enla figura de la izquierda unafotografía (I.1(a)), mientras que en I.1(b) se presenta un diagrama conla conexiones más importantes dela misma.

Existen una serie de parámetros que determinan las características de la placa base, y por lo tanto,facilitan la correcta elección de la misma. Estos se pasan a analizar a continuación.

Factor de forma o geometría: Indica las características mecánicas (largo, ancho, ubicación de agu-jeros de montaje, tipo y ubicación de conectores, y ubicación de componentesclave, entre otras) asícomo restringe el tipo de caja que puede usarse.

El factor de forma más empleado en la actualidad en el caso de los PCs es el ATX. Para los servidoressuele usarse el factor de forma WTX, que con unas dimensiones mayoresque ATX permite alojarcon más facilidad dos o más CPUs o un mayor número de ranuras de memoria. Enel caso de los

2


(a) Fotografía (b) Principales conexiones

Figura I.1: Visión de una placa base moderna

portátiles no existe un factor de forma estándar, lo que hace que muchas placas base de portátilessean incompatibles entre sí.

En la Figura I.2 se muestra una placa base ATX, destacando los conectores de alimentación y elregulador de tensión del procesador.

Figura I.2: Placa base ATX

CPUs soportadas: Este es otro de los parámetros a tener muy en cuenta, ya que el rendimientodel PC depende en buena medida de la CPU o CPUs soportadas. Por ejemplo, las placas baseconsocket 939 como la mostrada en la Figura I.1 soportan procesadores AMD Athlon 64, algunosAMD Opteron y Sempron. Por su parte, la placa base de la Figura I.2, consocket 775, soporta CPUsPentium IV, Pentium D e Intel Core. La placa base, además, restringe las frecuencias de reloj de lasCPUs soportadas.

En la Figura I.3 se han identificado los elementos de la placa base involucrados en la conexión de la

3


CPU.

Figura I.3: Placa base consocket 775

Módulos de memoria soportados: Se trata también de un parámetro fundamental ya que las carac-terísticas de los módulos de memoria instalados en un PC afecta en gran medida alrendimiento.Entre otras cosas, es importante observar el tipo de memoria admitido por la placa (DDR, DDR2,o DDR3), la frecuencia de reloj de la memoria, el número de ranuras de memoria, o la capacidadmáxima de los módulos soportados. Resulta también interesante prestar atencióna si la placa ad-mite memoria multicanal ya que puede mejorar el rendimiento cuando se dispone devarios módulosconectados.

En la Figura I.4 se han marcado las ranuras de la placa en las que se insertan los módulos de memoriapara una placa con dos canales.

Figura I.4: Placa base con dos canales para los módulos de memoria

Chipset: Este elemento, que está formado habitualmente por dos chips, es determinanteen la fun-cionalidad y rendimiento del ordenador, ya que cualquier flujo de información entre dos elementosdel PC ha de pasar por elchipset. Los dos chips que lo componen son elMemory Controller Hub(también llamadoNorthbridge) y el I/O Controller Hub (o Southbridge). El primero comunica la

4


CPU, la tarjeta gráfica, los módulos de memoria y elI/O Controller Hub. Este último interconectatodos los demás elementos del sistema. Desde hace un tiempo, AMD eliminó elMemory ControllerHub e integró su funcionalidad en el chip del procesador. Más recientemente, las últimas CPUs deIntel (Core i7) han seguido los pasos de las de AMD.

En la Figura I.5 se han identificado los elementos que componen elchipset.

Figura I.5: Placa base con elMemory Controller Hub y I/O Controller Hub identificados

Ranuras de expansión: permiten conectar tarjetas que amplían la funcionalidad del sistema. En unPC se suelen encontrar varias ranuras PCI, 1 ranura PCI Express X16, y 1 o más ranuras PCI ExpressX1. La especificación PCI más usada es un bus de 32 bits, a un frecuencia de reloj de 33 MHz quetransfiere un dato cada ciclo de reloj. Al final esto se traduce en una tasade transferencia pico de133 Mbytes/seg. En los servidores, por otro lado, suele emplearse una variante de PCI denominadaPCI-X, que usa datos de 32 bits y frecuencias de reloj de 66 MHz o superiores.

Hace ya más de una década que el bus PCI fue propuesto y es una realidad que cada vez menosdispositivos pueden conectarse a este bus como consecuencia de la limitaciones en cuanto a veloci-dad que ofrece. La especificación PCI Express ha sido propuesta recientemente como la evolucióndel ya anticuado PCI. PCI Express especifica una conexión punto a punto, serie, rápida, barata ycompatible a nivel software con PCI. Cada conexión punto a punto se compone de 1 o más canalesserie, cada uno de los cuales tiene una tasa de transferencia pico de 250Mbytes/seg en cada sentido(500 Mbytes/seg por canal). Una ranura PCI Express X16 dispone de16 canales PCI Express, lo quesupone una tasa de transferencia pico de 8 Gbytes/seg. Esta ranura suele emplearse para conectar latarjeta gráfica y el MCH.

La Figura I.6 identifica las ranuras PCI y PCI Express para la placa baseque venimos analizando.

Intefaces de almacenamiento: Las interfaces de almacenamiento indican el tipo de discos duros,unidades de DVD-ROM, ... que se pueden conectar. Aparte de la interfazde disquete (que no haevolucionado desde hace muchos años y que cada vez se encuentra enmenos ordenadores), lasinterfaces empleadas hasta ahora han sido ATA y SCSI. La especificación ATA, a lo largo de suevolución, se ha empleado en PCs de gama media o baja para la conexión de dispositivos inter-nos. En concreto, ATA define una conexión paralela, con una tasa de transferencia máxima de 133Mbytes/seg. Actualmente ha sido sustituida por la especificación SATA, que define conexiones seriepunto a punto y proporciona una tasa de transferencia máxima inicial de 150Mbytes/seg, siendocompatible a nivel software con la especificación ATA. Por otro lado, los servidores suelen emplear

5


Figura I.6: Placa base con dos ranuras PCI Express (una X1 y otra X16) y otras dos PCI

discos SCSI ya que estos últimos son capaces de ofrecer mayores prestaciones. La especificaciónSCSI que define un bus paralelo, con las desventajas que a día de hoy eso supone, será sustituidaen poco tiempo por SAS, que es una especificación serie. Por último, las placas base también pro-porcionan interfaces de entrada y salida genéricos que pueden emplearse para dispositivos externoscomo son las interfaces USB y Firewire.

La Figura I.7 muestra los conectores ATA, SATA y para la unidad de disco presentes en la placabase de ejemplo.

Figura I.7: Conectores de la unidad de disquete, ATA (primario y secundario) y SATA (1 a 4)

Intefaces de audio y red integradas: La Figura I.8 muestra la ubicación de las interfaces de audio yred en la placa base que venimos analizando. La integración de la red y el audio en la placa basereduce sensiblemente el coste del sistema así como el consumo de energía.

Puertos de conexión de periféricos: Los puertos a través de los cuales diversos dispositivos externospueden ser conectados mediante cables al sistema se muestran en la Figura I.9.

Protección de la BIOS: La BIOS,Basic Input/Output System, es un programa software incorporadoen un chip de la placa base que se encarga de arrancar el PC y de dar soporte para manejar ciertos

6


Figura I.8: Interfaces de audio y red

Figura I.9: Puertos de conexión de periféricos

dispositivos de entrada/salida. Físciamente se localiza en un chip de forma rectangular o cuadrada(ver Figura I.10). Además de permitir el arranque del PC, la BIOS ofrece una interfaz gráfica paraconfigurar parámetros básicos del PC, los cuales almacena en un chip que se alimenta mediante unabatería. Dado que actualmente el chip que almacena la BIOS puede borrarse y escribirse eléctrica-mente, se suele hablar también deFlash BIOS, y suele contar con medidas de protección frente aescrituras erróneas o malintencionadas. Es importante notar que actualizarla BIOS es la operaciónde mantenimiento más crítica, dado que de hacerse incorrectamente podría dejar el equipo inuti-lizable hasta que se cambiase el chip por otro con la BIOS correcta. Finalmente, hay placas quecuentan con doble BIOS y que permiten arrancar usando una u otra.

B4.1.4. Desensamblado y montaje de un PC no operativo

Aunque la práctica se va a llevar a cabo sobre un PC de laboratorio no operativo por su antigüedad,vamos a proceder como si de un ordenador en funcionamiento se tratase.A pesar de tener componentesobsoletos, el montaje de un PC moderno es muy similar. A este respecto es importante seguir las siguientesrecomendaciones antes de comenzar:

7


Figura I.10: Flash BIOS

1. Siempre se trabaja con el ordenador desenchufado por completo de laelectricidad.

2. Se documenta la situación del ordenador (cables,jumpers,...) antes de retirarlos o modificar suconfiguración.

3. En caso de ordenadores operativos hay que llevar cuidado con la electricidad estática del que lo vaa manipular, que deberá ser descargada antes de nada haciendo uso de por ejemplo una muñequeraantiestática.

De manera resumida, con el ordenador que indique el profesor se tratade seguir los siguientes pasosque se detallarán más adelante:

Despejamos la mesa

Se abre el chasis

Se desmontan las tarjetas PCI (red, ...)

Se desconectan las unidades de disco duro y disquetera

Se desmontan los dispositivos

Se desmonta el ventilador de la CPU y se extrae la misma

Una vez tengamos el chasis limpio (con los cables de configuración de la placa al chasis del or-denador,led, speaker ...) se documentan las posiciones de los cables (anotar para cada uno de lospuntos el color del cable que va conectado)

Documentar las características más importantes de los componentes del equipo(tipo de placa,procesador, BIOS, número de ranuras PCI e ISA, ...)

Se procede al montaje del equipo para dejarlo en su estado original

Paso 1.Se retiran todas las tarjetas de red, sonido... de tipo PCI, ISA,... Se desatornillan en el lateral(ver Figura I.11).

Paso 2. Se desmontan todos los discos duros, unidades lectoras CD, DVD, Floppy disk. Nos fijamosen la placa base del sentido de inserción de la banda roja. Ha de indicarseen la placa si es FLOPPY, IDE1,IDE2. (ver Figura I.12).

8


Figura I.11: Retirada de tarjetas

Figura I.12: Retirada de los discos

Paso 3. Se retiran los módulos de memoria identificando su tipo. Para ello, tener en cuenta que espreciso liberar los módulos a través de las pestañas de los laterales. En algunos ordenadores antiguos losmódulos se insertan y extraen con una inclinación (ver Figura I.13).

Figura I.13: Retirada de los módulos de memoria

Paso 4. Se desmonta el ventilador de la CPU si lo hubiera. Para ello, se liberan las fijaciones delventilador con un destornillador plano si no fuese posible hacerlo manualmente (ver Figura I.14).

Paso 5. Se extrae la CPU, para ello se levanta primeramente la palanca ZIF (Zero Insertion Force)según se muestra en la Figura I.15 (izquierda), y después se extrae la CPU en el sentido de inserción

9


Figura I.14: Retirada del ventilador de la CPU

que viene señadado por una marca en un extremo (en el caso de la CPU dela Figura I.15, en el extremoderecho de abajo). Posteriormente se comprueba en el zócalo que ese es el extremo donde está el pin 1del procesador. En el caso de un ordenador operativo, habría que limpiar la superficie del ventilador y dela CPU de la pasta térmica antes de montarlo.

Figura I.15: Retirada del procesador

Paso 6. Documentar las conexiones de la placa base y retirar los cables (ver Figura I.16).Paso 7. Retirar el cable de alimentación de la placa base. Si es un equipo AT, los conectores negros

siempre al centro (de lo contrario dañaremos el ordenador). Si es ATXsolo hay un sentido de inserción(ver Figura I.17).

Paso 8. Proceder a volver a montarlo todo tal y como estaba al principio.

10


Figura I.16: Retirada de los cables

Figura I.17: Retirada del cable de alimentación

11


Ejercicios

1. Dado el procesador de ejemplo del apartado 4.2.1. en el que cada instrucción necesita 3 ciclos dereloj para su ejecución, y dada la siguiente secuencia de instrucciones:

Load.f RegF1, @mem1 # Carga un dato de punto flotanteAdd.f RegF1, RegF1, RegF2 # Suma en punto flotanteStore.f RegF1, @mem1 # Almacena un dato de punto flotante

Explica qué instrucción se está ejecutando en el ciclo de reloj 5 y en cuál de los tres pasos se encuen-tra. ¿Y en el ciclo de reloj 9? En ambos casos supón que el primer paso dela primera instruccióntiene lugar durante el ciclo 1.

2. El tiempo de CPU (TCPU ) de un programa es el resultado de multiplicar el número de instruccionesdel programa (NI), el número de ciclos que en promedio se necesitan para ejecutar cada instrucción(CPI) y el tiempo de ciclo del procesador (tciclo). Suponiendo que el procesador del apartado 4.2.1.trabaja a una frecuencia de reloj de 3 GHz, calcula el tiempo de CPU de un programa que consisteen la ejecución de200× 10

3 instrucciones.

3. Dado un procesador en el que cada instrucción tiene una longitud de 32 bits, calcular el númerototal de instrucciones ejecutadas para un programa que ocupa 1 MB de memoria principal y en elque el número medio de veces que se ejecuta cada instrucción es 1.5.

4. Supongamos un procesador que emplea un número variable de ciclos dereloj por instrucción, enel que las instrucciones de carga necesitan 5 ciclos de reloj, mientras que las de almacenamientoy las aritmético-lógicas requieren 4. Calcula elCPI medio que se obtendría para la secuencia deinstrucciones del primer ejercicio.

5. Dados dos procesadores que implementan el mismo ISA, se ha ejecutado el mismo programa deprueba sobre ambos obteniendo los siguientes resultados:

CPIA = 1.54

CPIB = 2.27

Sabemos que el programa de prueba implica la ejecución de 1 millón de instrucciones y que lafrecuencia del reloj del primer procesador (A) es de 2 GHz, mientras que la del segundo (B) es de2.5 GHz. ¿Qué procesador es más rápido?

6. Dado que queremos diseñar un ordenador con un tamaño de memoria de 4GB y que el direc-cionamiento lo queremos hacer de bytes, ¿cuál sería el tamaño mínimo de la dirección de memoria(en bits) que tendríamos que elegir?

7. Además de la memoria de 4 GB anterior, nuestro ordenador va a contar con una memoria cache parainstrucciones y datos de 512 KB. El tamaño de bloque elegido es de 64 bytes. ¿Cómo se distribuyenlos 32 bits de la dirección desde el punto de vista de la cache?

8. ¿Cuál será el tiempo necesario para transmitir un bloque de datos de 128bytes a través de un canalde datos de 64 bits que opera a una frecuencia de 100 MHz?

12

Documents

Fundamentos de Computadores - ditec.um.esditec.um.es/~jpujante/documentos/BoletinYEjercicios4.pdf · memoria, discos duros, la fuente de alimentación, refrigeradores, etc. De esta