Cómo interactúan los componentes del computador

CONTENIDO
Hardware
específico

Como interactúan
Hardware de uso
todos los
general
COMPONENTES componentes
DEL
COMPUTADOR Ciclos de
captación y
ejecución

Interrupciones

COMPONENTES DEL computador

Todos los computadores actuales se ha diseñado basándose en
los conceptos desarrollados por John von Neumann en el
Instituto de Estudios Avanzados de Priceton:

Los contenidos de esta
memoria se direccionan
indicando su posición, sin
considerar el tipo de dato
contenido en la misma.
Los datos y las La ejecución se produce
instrucciones se siguiendo una secuencia de
almacenan en una sola instrucción tras instrucción ( a
memoria de lectura y no ser que dicha secuencia se
escritura modifique explícitamente).

Se basa en 3
componentes

Hardware específico

En este diagrama se ejemplifica el computador
realizaba una tarea fija con los datos, el sistema
acepta datos y produce resultados

Hardware de uso general

En este diagrama vemos
ejemplificado que por
medio de instrucciones al
procesador, se podía hacer
que el computador sea de
uso general y realizar
distintas tareas. El sistema
acepta datos y señales de
control y produce
resultados


Como se puede apreciar, la
memoria y los datos provienen de
la misma memoria.
La idea es la siguiente, se leía una
instrucción, esta pasaba a la
unidad de control, dicha unidad
realizaba las conexiones
correspondientes para que la ALU
realizara una tarea
determinada, entraban los datos a
la ALU, esta realizaba las
operaciones, y el resultado salía
por algún dispositivo de E/S


CPU
Interprete de
instrucciones

Funciones lógicas y
aritméticas de uso
general

Interprete de instrucciones y módulo de uso general para
las funciones aritmético y lógicas
CPU

Además se requieren varios elementos adicionales para que el
computador funcione.
Ya que los datos y las instrucciones deben introducirse en el sistema
para eso se necesita algún tipo de modulo de entrada y también se
necesita un medio para proporcionar resultados el modulo de
salida.
E/S Modulo

Se necesita un componente más, como sabemos un programa no siempre ejecuta
las instrucciones según una misma secuencia, puede saltarse ciertas
instrucciones. Por ello debe existir un sitio para almacenar temporalmente tanto
las instrucciones como los datos.

MEMORIA PRINCIPAL

Como interactúan todos los componentes

CPU
Se encarga del control

Intercambia datos con
la memoria


Para esto usualmente utiliza dos registros internos de la CPU

CPU Registro de dirección de Memoria
Especifica la dirección de memoria
que será accedida.

Registro temporal de memoria
(buffer)
contiene el valor a almacenar o la
palabra recibida de memoria.

Igualmente un registro de direcciones de E/S especifica un
dispositivo de entrada y salida

CPU Registro de dirección E/S
Especifica un dispositivo
de E/S

Registro de datos E/S
Se utiliza para intercambiar
datos entre el módulo de E/S
y la CPU


Un módulo de E/S transfiere datos desde los
dispositivos externos a la CPU y a la memoria. Contiene
los registros (buffers) internos para almacenar los datos
temporalmente, hasta que puedan enviarse

Funcionamiento del computador

La función básica que realiza un computador es
la ejecución de un programa, constituidos por un
conjunto de instrucciones almacenados en
memoria.

El procesador es el que se
encarga de ejecutar las
instrucciones especificadas
en el programa.

Ciclos de captación y ejecución

EJECUCIÓN DE UN PROGRAMA
CONSTA DE DOS CICLOS

CICLOS DE CICLOS DE
CAPTACIÓN EJECUCIÓN
El procesador lee la El procesador ejecuta la
instrucción de la memoria instrucción

La ejecución de un programa consiste en la repetición
del proceso de captación y ejecución de instrucción


Fases de ejecución de una instrucción
 Captación
 Preparación de la siguiente instrucción
 Decodificación
 Ejecución

La ejecución del programa se para solo si la maquina se
desconecta, se produce algún tipo de error irrecuperable o
ejecuta una instrucción del programa que detiene al computador

Como se dijo anteriormente la CPU interpreta la instrucción y
lleva a cabo la acción requerida. En general, esta puede ser de 4
tipos:
1. Procesador – Memoria : Transferencia de datos desde o hacia
memoria.
2. Procesador – E/S: Transferencia de datos desde o hacia el
exterior a través de un modulo de E/S.
3. Procesamiento de Datos: Alguna operación aritmética o lógica
con los datos.
4. Control: Una instrucción puede especificar que la secuencia de
ejecución se altere
• Por ejemplo una instrucción de salto, que lo único que
requiere es que se cambie el valor del registro PC
Una instrucciones requieren una combinación de algunas.


Se utiliza PC para seguir la
pista de la instrucción que
debe captarse a continuación.
A no ser que se indique lo
contrario
La CPU siempre incrementa 1
a PC después de cada
instrucción , de forma que
captará la siguiente
instrucción de secuencia

Al comienzo de cada ciclo de
instrucción la CPU
capta la instrucción de
memoria

Ciclo de instrucción

1. Recuperar la
siguiente
instrucción desde 2. Decodificar el patrón de
memoria (apuntada por bits en el registro de
el program counter) y instrucción IR
luego incrementar el
program counter.

3. Ejecutar la instrucción
indicada en el registro de
instrucción IR

Ciclo de ejecución

1. UC obtiene la próxima instrucción de
memoria (usando el registro PC)
2. Se incrementa el PC
3. La instrucción es decodificada a un
lenguaje que entiende la ALU
4. Obtiene de memoria los operandos
requeridos por la operación
5. La ALU ejecuta y deja los resultados en
registros o en memoria
6. Repetir paso 1

Ciclo de ejecución

 La unidad de control levanta la próxima de memoria
usando el “contador de programa” (o RPI) que dice en que
dirección esta la próxima instrucción.

Ciclo de ejecución

 La instrucción es decodificada a un lenguaje
que entiende la ALU (unidad aritmética lógica).

Ciclo de ejecución

Cada operando requerido para ejecutar es levantado de la
memoria principal y ubicado en registros dentro de la CPU.

Ciclo de ejecución

 La ALU ejecuta la instrucción y coloca los resultados
en registros o en memoria.

Ciclo de ejecución

TIPOS DE OPERACIONES
Procesador-memoria
 Transferencia de datos entre la CPU y la memoria
 Procesador-E/S
 Transferencia de datos entre la CPU y un modulo de
E/S
 Procesamiento de datos
 Alguna operación aritmética o lógica sobre los datos
 Control
 Alteración de la secuencia de operaciones
Ej.: jump


OPERACIONES ELEMENTALES SOBRE LA MEMORIA

LEER EL CONTENIDO DE LA MEMORIA
1. Decidir que celda se va leer (dar la dirección).
2. Esperar a que se complete la operación de copia del dato.
3. Recoger el dato y dar por terminada la operación.

ESCRITURA
1. Proporcionar el dato que se desea guardar.
2. Proporcionar la dirección de la celda en donde sería guardado
el dato.
3. Esperar un tiempo fijo para que se haga el almacenamiento.

NECESIDAD DE LA CODIFICACIÓN
El segundo problema es cómo almacenar las instrucciones en la
memoria.
Como en las celdas de memoria sólo caben números, entonces
había que traducir las instrucciones a números para poder
almacenarlas, que es el concepto de codificación.
Para codificar las instrucciones se debe considerar cuantas y cuales
son las instrucciones disponibles y que esquema de codificación se
emplearía.
La cantidad depende básicamente de la capacidad de la unidad
de control del procesador central para hacer operaciones; a mayor
complejidad –y costo–, mayor sería el número de instrucciones
diferentes que podría efectuar. Se debe encontrar un código adecuado
para que a cada instrucción le corresponda uno, y sólo un,
valor numérico. Se usa una especie de diccionario electrónico.


EJEMPLO DE EJECUCIÓN DE UN PROGRAMA

Se puede escribir un primer programa completo, usando el modelo
mostrado. Supongamos el problema de sumar 5+7

Consideraciones:
1. Se requieren tres celdas, dos para los datos y una para dejar el resultado,
sean las celdas 21, 22 y 23.
2. Se deben definir con detalle las operaciones a efectuar, el orden y la
codificación adecuada.
3. Introducir todos los datos e instrucciones en memoria.
Haciendo un análisis es necesario definir varias operaciones sobre la máquina,
por ejemplo: una instrucción para llevar el contenido de una celda al registro
acumulador; otra para hacer la suma, y otra para devolver el contenido del
acumulador a una celda de la memoria.

LA UNIDAD DE CONTROL
Su función principal 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 son:
1. Ir a la memoria y extraer el código de la siguiente instrucción
(que estaría en la siguiente celda de memoria por leer).
2. Decodificar la instrucción recién leída (determinar de qué
instrucción se trata.
3. Ejecutar la instrucción.
4. Prepararse para leer la siguiente instrucción, y volver al primer
paso para continuar.
La unidad de control ejecutaría varias veces este ciclo de cuatro
”instrucciones alambradas”.


Códigos de operación
hexadecimal binario
1 0001 Cargar AC desde memoria
2 0010 Almacenar AC en memoria
5 0101 Sumar a AC un dato de memoria1

Memoria Registros del CPU
300 1 940 300 PC
301 5 941 AC
302 2 941 1940 IR

940 0003
941 0002


300 1 940 300 PC
301 5 941 AC
302 2 941 1940 IR

940 0003
941 0002


Memoria
300 1 940 Especifica la dirección del
dato que se va a cargar
301 5 941
302 2 941

940 0003
941 0002

940 contiene el dato 0003


1. La instrucción captada se almacena en un registro de la
CPU conocido como Registro de instrucción IR
2. El contador del PC se ubica en la primera instrucción (300)
3. La instrucción que es un valor hexadecimal (1940) se carga
en el registro de instrucción

300 1 940 300 PC
301 5 941 AC
302 2 941 1940 IR

940 0003
941 0002


La CPU interpreta la instrucción y lleva a cabo la acción requerida

300 1940 300 PC
301 5941 0003 AC
302 2941 1940 IR

940 0003
941 0002


El registro PC se incrementa, y se capta la siguiente instrucción
(5941) desde la dirección 301

300 1940 301 PC
301 5941 0003 AC
302 2941 5941 IR

940 0003
941 0002


El contenido de AC y el de la posición de memoria 941 se suman
y el resultado se almacena en AC

300 1940 301 PC
301 5941 0005 AC
302 2941 5941 IR

940 0003 3+2=5
941 0002


El registro PC se incrementa, y se capta la siguiente instrucción
(2941) desde la posición 302

300 1940 301 PC
301 5941 0005 AC
302 2941 2941 IR

940 0003
941 0002


El contenido de AC se almacena en la posición 941

300 1940 301 PC
301 5941 0005 AC
302 2941 2941 IR

940 0003
941 0005


Diagrama de estados del ciclo de una instrucción
El ciclo de ejecución de una instrucción particular puede ocasionar más de una
referencia a memoria. Además, en lugar de referencias a memoria, una
instrucción puede especificar una operación de E/S. Con esta especificaciones la
figura azul proporciona una visión más detallada del ciclo de instrucción básico

Determina la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
En general consiste en sumar 1 al registro PC, pero no siempre.
Supongamos que las instrucciones tienen un largo de 16 bits y la memoria se
organiza en plabras de 16 bits, en ese caso sumariamos 1 al PC, pero si la
memoria estuviera direccionada de byte, cada instrucción ocuparía 2 posiciones
de memoria, en ese caso tendríamos que sumar 2 al PC.

Captación Alcacena-
Captación
de instrucción miento de
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
Cálculo de la Cálculo de la Cálculo de la
de la operación Operación
dirección de dirección del dirección del
de la con datos
la instrucción operando operando
instrucción

Instrucción completada Cadena o vector
Captar la siguiente instrucción de datos


Instruction fetch: La CPU lee la instrucción desde su
posición en la memoria.

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



Instruccion operation decoding : Decodifica la
instrucción para saber el tipo de operación a realizar y
los operandos a utilizar.

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



Operand address calculation: Si el o los operandos se encuentran
en memoria o se accede a ellos a través de E/S, se determina la
dirección.

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



Operand fetch: Se capta el operando de memoria o a
través de E/S.

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



Data operation: Se realiza la operación que requiere la
instrucción.

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



Operand store: Se almacena el operando en memoria o a
través de E/S.

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



En el gráfico podes observar varias cosas, las etapas están dispuestas tal que en la parte
de arriba están las etapas que requieren salir del procesador, es decir ocasionan
intercambios entre la CPU y la memoria o un modulo de E/S

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



La parte inferior están las etapas que se solucionan internamente,
solo ocasionan operaciones internas a la CPU

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción



Otra cosa para destacar son las flechas dobles en el momento de ir a buscar un
operando o al almacenarlo, esto se debe porque hay instrucciones que requieren varios
operandos y hay otras que generan mas de un resultado.
Por ultimo hay instrucciones que realizan una misma operación con distintos valores de
un vector, por eso, al terminar de almacenar el resultado no captan la siguiente
instrucción, en vez de eso, captan el próximo valor del vector realiza lo mismo con otros
valores.
Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
de la con datos
instrucción


interrupciones

Una interrupción es un mecanismo, con el
cual un modulo de E/S puede interrumpir el
procesamiento normal de la CPU.
Esto sirve para mejorar el rendimiento del
sistema. Este mecanismo puede llegar
deshabilitarse si es necesario.

interrupciones

CLASES DE INTERRUPCIONES

FALLO DE
PROGRAMA TEMPORIZACIÓN E/S
HARDWARE

Generadas por alguna Generadas por Generadas por
condición que se
produce como un un controlador
Generadas por
resultado de la temporizador de E/S, para
ejecución de una un fallo tal
instrucción, tal como interno al indicar la
como la falta
desbordamiento procesador. finalización son
aritmético (averflow), de potencia de
división por cero, Esto permite al problemas de
alimentación o
intento de ejecutar una sistema una operación
instrucción máquina un error de
inexistente e intento de operativo o para avisar
paridad en la
acceder fuera del realizar ciertas de ciertas
espacio de memoria memoria
permitido para el funciones de condiciones de
usuario manera regular error

interrupciones

Ejemplo, ya sabemos que la mayoría de los dispositivos externos son
las lentos que la CPU, imaginemos la CPU imprimiendo un
documento

interrupciones

Procesador a 200 MHz (tiempo ciclo reloj = 5 ns; Ciclos por
instrucción CPI = 2 , en promedio)
• Una instrucción tarda en promedio 2 x 5 ns = 10 ns =>lla
computadora puede ejecutar ~100 Mips
Queremos imprimir un archivo de 10 Kbytes en una impresora láser
de 20 páginas por minuto
• 1 página ≅ 3.000 caracteres (1 carácter = 1 byte)
• La impresora imprime 60.000 caracteres por minuto = 1 Kbyte/s

Hasta hora lo único que podíamos hacer era que la CPU envíe los
datos que pudiera recibir la impresora y esperar que termine de
imprimir o que solicite mas datos.

interrupciones

Sin interrupciones:

• La CPU entra en un bucle y envía un nuevo byte cada vez que la
impresora está preparada para recibirlo.
• La impresora tarda 10 seg en imprimir 10 Kbytes
• La CPU está ocupada con la operación de E/S durante 10 seg.
(en ese tiempo la CPU podría haber ejecutado 1000 millones de
instrucciones)

Con el uso de interrupciones la CPU no tiene que esperar, mandaría
los datos a la impresora y seguiría haciendo alguna tarea productiva.

interrupciones
Con interrupciones:
.

La impresora genera una interrupción cada vez que está preparada para recibir
un nuevo byte.
• Si la gestión de interrupción (ATI) tiene 10 instrucciones (salvar
contexto, comprobar estado, transferir byte, restaurar contexto, rti)
• Para transferir 10 Kbytes tenemos que ejecutar 10.000 veces la ATI
⇒ ejecutar 100.000 instrucciones para atender al periférico ⇒ la CPU tarda 0,001
seg.
• La CPU está ocupada con la operación de E/S durante 0,001 seg.
• La E/S por interrupciones reduce en 10.000 veces el tiempo que la CPU está
ocupada gestionando la impresora.

Esta diferencia es tan marcada porque el periférico es realmente muy lento, con
periféricos rápidos, solo con las interrupciones no alcanza para solucionar el
problema.

interrupciones
En este gráfico se muestra el tiempo que
utiliza la CPU en el periférico, la línea
punteada nos marca en que se estaría
utilizando el CPU.
Cuando se atiende, un periférico el
procesador ejecuta un programa que atiende
al modulo de entrada salida, este programa
se carga, prepara lo necesario para que se
pueda realizar la operación requerida con el
periférico, seguido a esto se ejecuta la
instrucción solicitada, cuando termina el
periférico su tarea, en algunos casos el
programa cargado puede realizar alguna otra
tarea relacionada, para el lado del periférico
o para el lado de los buses, por ejemplo
mandar información de algún error que se
halla detectado en el periférico, para luego
proseguir con la ejecución del programa
original

interrupciones

Se puede ver, en la primera sección,
que mientras esta funcionando el
periférico (entre los círculos 4 y 5) el
CPU no hace nada, solo espera que
termine.
En cambio se puede apreciar en la
segunda seccione del gráfico, que
luego de que el programa que
atiende la E/S pone en
funcionamiento el periférico, el
procesador dedica su tiempo en
procesar el programa original hasta
que reciba una nueva interrupción,
las 2 cruces identifican las
interrupciones.

interrupciones
Sabiendo un poco de las interrupciones ahora podemos agregar
una nueva etapa al ciclo de la instrucción básico.
Ciclo Fetch Ciclo de Ciclo de
(Captura) ejecución interrupción

Interrupciones
inhabilitadas

Captura
INICIO Ejecuta Comprobación de interrupción;
siguiente interrupción del proceso
instrucción Interrupciones
instrucción
habilitadas

PARADA

En este gráfico podemos ver que si las interrupciones están deshabilitadas, el ciclo
es igual, pero si están habilitadas antes de captar la próxima instrucción, chequea si
hay alguna interrupción pendiente, si lo hay, en la etapa “Ciclo de interrupción" el
procesador guardara el contexto (registro que contiene los flags, registro PC, etc)
cargara en el registro PC la dirección donde esta el programa que atiende la
interrupción, y empezara a captar y ejecutar las instrucciones del programa de
atención a la interrupción.

interrupciones

También vamos a agregar la etapa de detección de interrupciones el
gráfico mas detallado:

Captación
del operando
operando

Varios Varios
operandos operandos

Decodificación
Cálculo de la Cálculo de la Cálculo de la Cálculo de la Cálculo de la
dirección de dirección del dirección del dirección del dirección del
de la con datos
la instrucción operando operando operando operando
instrucción


interrupciones
Bien, que sucedería si ocurre una
interrupción mientras se esta ejecutando
una interrupción?
Hay 2 alternativas, la primera es que
mientras se esta atendiendo una
interrupción se desactivan las demás,
luego que se termina de atender la
interrupción el procesador, antes de
proseguir con la ejecución del programa
principal, chequea si hay alguna
interrupción pendiente, y así las va
ejecutando secuencialmente.
La desventaja es que no se tiene en
cuenta ninguna prioridad, y es necesario
porque hay peticiones que en la que es
importante atenderlas rápidamente y hay
otras que no.

interrupciones
La otra alternativa es que las
interrupciones tengan prioridad,
entonces, si una interrupción es
interrumpida por otra que posee
mayor prioridad, se almacena el
contexto de ejecución de la
interrupción en curso, se carga el PC
con la nueva dirección y se empieza
a ejecutar las instrucciones del
programa que atiende la nueva
interrupción, al terminar se continua
atendiendo la interrupción anterior,
y cuando se termina de atender
esta, se vuelve a la ejecución del
programa principal.

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