Your SlideShare is downloading. ×
0
×
Saving this for later? Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime – even offline.
Text the download link to your phone
Standard text messaging rates apply

Arquitectura del cpu

829

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
829
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1
Actions
Shares
0
Downloads
30
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  1. Arquitectura Computacional UNIDAD 4 SISTEMAS DIGITALES Ing. Hugo Maciel
  2. •¿CUÁL ES LA FUNCIÓN BÁSICA DE UNA COMPUTADORA? •¿CUÁL ES LA FUNCIÓN DEL CPU?
  3. • La función básica de una computadora es ejecutar programas, el cual esta compuesto de un conjunto de instrucciones almacenadas en memoria. • La CPU es la encargada de ejecutar las instrucciones especificas del programa. Para comprender esta función debe considerarse el detalle del proceso de ejecución del programa.
  4. ORGANIZACIÓN DE UNA PC • Los bloques funcionales básicos son: la unidad de procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el procesador de Entrada - Salida. • Unidad de proceso central: Esta es la responsable de la interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la memoria principal se realizan a través de 2 canales funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos.
  5. ORGANIZACIÓN DE UNA COMPUTADORA
  6. • Desde el punto de vista más simple, se considera el Ciclo básico de procesamiento de una instrucción instrucción en dos etapas: • La CPU lee (busca, trae; fetch en inglés) la instrucción de memoria y la ejecuta. • La ejecución del programa consiste en la repetición del proceso de traer y ejecutar la instrucción. Se detiene sólo si la computadora se desconecta, se produce algún error o se encuentra una instrucción que detiene la computadora.
  7. Proceso de instrucción • Para introducir en la memoria, una instrucción específica, la CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la instrucción que está en esa dirección. • Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar la operación.
  8. • La instrucción traída se almacena en un registro de la CPU conocido como registro de instrucción (IR instruction register). • La CPU interpreta la instrucción y realiza la acción requerida. En general, ésta puede ser de cuatro tipos: • CPU - Memoria: Deben transferirse datos desde la CPU a la memoria o viceversa. • CPU - E/S: Deben transferirse datos a o desde el exterior mediante el módulo de E/S. • Procesamiento de datos: La CPU realizará alguna operación aritmética o lógica con los datos. • Control: Una instrucción puede especificar que la secuencia de ejecución se altere por lo que la CPU debe poner el contador de programa al valor adecuado.
  9. CICLO DE EJECUCIÓN • La CPU también haría que la ULA funcione como sumadora y dirija la salida hacia el tercer registro. • El proceso de realización que especifica una función se denomina ciclo de ejecución.
  10. CICLO DE EJECUCIÓN • Los nombres ciclos de búsqueda y ciclos de ejecución derivan de la naturaleza cíclica de la operación de la computadora una vez que esta empieza a funcionar repite los ciclos de búsqueda y ejecución de manera continua. Para hacer referencia a cada ciclo suele utilizar el término ciclo de máquina.
  11. UNIDADES FUNCIONALES • El procesador se compone de un grupo de unidades interrelacionadas (o unidades de control). Aunque la arquitectura del microprocesador varía considerablemente de un diseño a otro, los elementos principales del microprocesador son los siguientes: • Una unidad de control que vincula la información entrante para luego decodificarla y enviarla a la unidad de ejecución: La unidad de control se compone de los siguientes elementos: • Secuenciador (o unidad lógica y de supervisión ), que sincroniza la ejecución de la instrucción con la velocidad de reloj. También envía señales de control: • Contador ordinal, que contiene la dirección de la instrucción que se está ejecutando actualmente; • Decodificador, decodifica o interpreta la instrucción; • Registro de instrucción, que contiene la instrucción siguiente.
  12. DIAGRAMA A BLOQUES DE LA UNIDAD DE CONTROL
  13. UNIDADES FUNCIONALES • Una unidad de ejecución (o unidad de procesamiento), que cumple las tareas que le asigna la unidad de instrucción. La unidad de ejecución se compone de los siguientes elementos: • La unidad aritmética lógica (se escribe ALU); sirve para la ejecución de cálculos aritméticos básicos y funciones lógicas (Y, O, O EXCLUSIVO, etc.); • La unidad de punto flotante (se escribe fpu), que ejecuta cálculos complejos parciales que la unidad aritmética lógica no puede realizar; • El registro de estado; • El registro acumulador. • Una unidad de administración del bus (o unidad de entrada-salida) que administra el flujo de información entrante y saliente, y que se encuentra interconectado con el sistema RAM;
  14. DIAGRAMA A BLOQUES DE LA UNIDAD ARITMÉTICO-LÓGICA (ALU)
  15. Registro Temporal de Memoria “Buffer” (MBR): Contiene una palabra que debe ser almacenada en memoria, o recibe una palabra procedente de la memoria. Registro Temporal de Instrucción (IBR): Almacena temporalmente la instrucción contenida en la parte derecha de una palabra. Registro de Instrucción (IR): Contiene el código de operación de la instrucción que se va a ejecutar. Registro de Dirección de Memoria (MAR): Especifica la dirección de memoria de la palabra que va a ser escrita o leída en MBR. Contador de Programa (PC): Contiene la dirección de la siguiente pareja de instrucciones que se traerán de memoria. Acumulador (AC) Multiplicador Cociente (MQ): Se emplean para almacenar temporalmente operandos y resultados de operaciones de la ALU.
  16. PARAMETROS SIGNIFICATIVOS DE UN MICROPROCESADOR • Ancho de bus (medido en Bits) • La frecuencia de reloj a la que trabajan (medida en Hz) • Tamaño de memoria caché (medido en Bytes). • L1 o interna (situada dentro del propio procesador y por tanto de acceso aún más rápido y aún más cara). La caché de primer nivel contiene muy pocos kilobytes (unos 32 ó 64 Kb). • L2 o externa (situada entre el procesador y la RAM). Los tamaños típicos de la memoria caché L2 oscilan en la actualidad entre 256 kb y 2 Mb.
  17. Áreas principales a cubrir en el diseño del procesador • • • • La arquitectura. La tecnología de proceso. El encapsulado. El set de instrucciones • La arquitectura de computadoras se refiere a los atributos de un sistema que son visibles a un programador, es decir aquellos atributos que tienen un impacto directo en la ejecución lógica de un programa. • La tecnología de proceso, se refiere a los materiales y técnicas utilizadas en la fabricación del circuito integrado. • El encapsulado se refiere a cómo se integra un procesador con lo que lo rodea en un sistema funcional, que de alguna manera determina la velocidad total del sistema.
  18. Áreas principales a cubrir en el diseño del procesador • TIPOS DE ENCAPSULADO
  19. Diferentes tipos de encapsulados de procesadores Motorola 6800 Zilog Z80 A. Motorola 6803 Un Z80 en encapsulado LQFP.
  20. ARQUITECTURA DEL COMPUTADOR • Aunque la tecnología de proceso y de encapsulado son vitales en la elaboración de procesadores más rápidos, es la arquitectura del procesador lo que hace la diferencia entre el rendimiento de una CPU (Control Process Unit) y otra. • ARQUITECTURA VON NEUMANN •ARQUITECTURA HARVARD
  21. ARQUITECTURA DEL COMPUTADOR •LA ARQUITECTURA VON NEUMANN Se utiliza el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos
  22. ARQUITECTURA DEL COMPUTADOR •LA ARQUITECTURA HARVARD Se utilizan dispositivos de almacenamiento físicamente separados para las instrucciones y para los datos
  23. SET DE INSTRUCCIONES DE UN CPU • Existen dos tipos mas comunes: • CISC: Su sistema de trabajo se basa en la microprogramación. Consiste en hacer que cada instrucción sea interpretada por un miniprograma. • RISC: Microprocesador con un conjunto de instrucciones muy reducidas en contraposición. • Se basan en estructuras simples y por lo tanto su complejidad total de la CPU es menor.
  24. SET DE INSTRUCCIONES DE UN CPU • CISC es un modelo de arquitectura de computadores (del inglés Complex Instruction Set Computing). Computadoras con un conjunto de instrucciones complejo. • Los microprocesadores CISC tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos, en contraposición a la arquitectura RISC.
  25. CISC • Las instrucciones compuestas son decodificadas internamente y ejecutadas con una serie de microinstrucciones almacenadas en una ROM interna. Para esto se requieren de varios ciclos de reloj (al menos uno por microinstrucción). • Este tipo de instrucción dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC, llamadas generalmente microinstrucciones. • La microprogramación es una característica importante y esencial de casi todas las arquitecturas CISC. Como por ejemplo: • Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486. Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840. • La microprogramación significa que cada instrucción de máquina es interpretada por un microprograma localizado en una memoria en el circuito integrado del procesador.
  26. CARACTERÍSTICAS DE LAS CISC • • • • • • • • • Reduce la dificultad de crear compiladores. Permite reducir el costo total del sistema Reduce los costos de creación de software. Mejora la compactación de código Facilita la depuración de errores. Muchas instrucciones potentes Muchos modos de direccionamiento Varios formatos de instrucciones Normalmente microprogramados (no microprogramables) • La ejecución de las instrucciones lleva varios ciclos de máquina.
  27. RISC
  28. RISC
  29. RISC • De Arquitectura computacional, RISC (del inglés), Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducidas. • Buscando aumentar la velocidad del procesamiento se descubrió en base a experimentos que, con una determinada arquitectura de base, la ejecución de programas compilados directamente con microinstrucciones y residentes en memoria externa al circuito integrado resultaban ser mas eficientes, gracias a que el tiempo de acceso de las memorias se fue decrementando conforme se mejoraba su tecnología de encapsulado. • Debido a que se tiene un conjunto de instrucciones simplificado, éstas se pueden implantar por hardware directamente en la CPU, lo cual elimina el microcódigo y la necesidad de decodificar instrucciones complejas. • En investigaciones hechas a mediados de la década de los setentas, con respecto a la frecuencia de utilización de una instrucción en un CISC y al tiempo para su ejecución, se observó lo siguiente: • Alrededor del 20% de las instrucciones ocupa el 80% del tiempo total de ejecución de un programa. • Existen secuencias de instrucciones simples que obtienen el mismo resultado que secuencias complejas predeterminadas, pero requieren tiempos de ejecución más cortos.
  30. RISC • La relativa sencillez de la arquitectura de los procesadores RISC conduce a ciclos de diseño más cortos cuando se desarrollan nuevas versiones, lo que posibilita siempre la aplicación de las más recientes tecnologías de semiconductores. • Por ello, los procesadores RISC no solo tienden a ofrecer una capacidad de procesamiento del sistema de 2 a 4 veces mayor, sino que los saltos de capacidad que se producen de generación en generación son mucho mayores que en los CISC.
  31. CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC • Codificación uniforme de instrucciones (ejemplo: el código de operación se encuentra siempre en la misma posición en cada instrucción, la cual es siempre una palabra), lo que permite una decodificación más rápida. • Estos microprocesadores siguen tomando como base el esquema moderno de Von Neumann. • Las instrucciones, aunque con otras características, siguen divididas en tres grupos: • a)Transferencia. b) Operaciones. c) Control de flujo.
  32. CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC • Reducción del conjunto de instrucciones a instrucciones básicas simples, con la que pueden implantarse todas las operaciones complejas. • Arquitectura del tipo load-store (carga y almacena). Las únicas instrucciones que tienen acceso a la memoria son 'load' y 'store'; registro a registro, con un menor número de acceso a memoria. • Casi todas las instrucciones pueden ejecutarse dentro de un ciclo de reloj. Con un control implantado por hardware (con un diseño del tipo load-store), base importante para la reorganización de la ejecución de instrucciones por medio de un compilador. • Pipeline (ejecución simultánea de varias instrucciones). Posibilidad de reducir el número de ciclos de máquina necesarios para la ejecución de la instrucción, ya que esta técnica permite que una instrucción puede empezar a ejecutarse antes de que haya terminado la anterior.
  33. CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC • Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y así simplificar el diseño del compilador. • Modos de direccionamiento simple con modos más complejos reemplazados por secuencias de instrucciones aritméticas simples. • Los tipos de datos soportados en el hardware (por ejemplo, algunas máquinas CISC tiene instrucciones para tratar con tipos byte, cadena) no se encuentran en una máquina RISC. • Además estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propósito general. • El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria.
  34. APLICACIONES DE LOS PROCESADORES RISC • Esta clase de equipos se han introducido poco a poco en oficinas, en la medicina y en bancos, debido a los cada vez mas voluminosos y complejos paquetes de software que con sus crecientes requerimientos de reproducción visual, que antes se encontraban solo en el campo técnico de la investigación y desarrollo. • En este tipo de equipos, el software de aplicación, se ejecuta bajo el sistema operativo UNIX, el cual es escrito en lenguaje C, por lo que las arquítecturas RISC actuales están adaptadas y optimizadas para este lenguaje de alto nivel. • Por ello, todos los productores de estaciones de trabajo de renombre, han pasado en pocos años, de los procesadores CISC a los RISC, lo cual se refleja en el fuerte incremento anual del número de procesadores RISC, (los procesadores RISC de 32 bits han visto crecer su mercado hasta en un 150% anual).
  35. APLICACIONES DE LOS PROCESADORES RISC • En pocos años, el RISC conquistará de 25 al 30% del mercado de los 32 bits, pese al aparentemente abrumador volumen de software basado en procesadores con el estándar CISC que se ha comercializado en todo el mundo. • La arquitectura MIPS-RISC ha encontrado, en el sector de estaciones de trabajo, la mayor aceptación. • Los procesadores MIPS son fabricados y comercializados por cinco empresas productoras de semiconductores, entre las que figuran NEC y Siemens. Los procesadores de los cinco proveedores son compatibles en cuanto a las terminales, las funciones y los bits. • Las máquinas RISC protagonizan la tendencia actual de construcción de microprocesadores. PowerPC, DEC Alpha, MIPS, ARM, ... son ejemplos de algunos de ellos.
  36. DEC Alpha AXP 21064, un microprocesador RISC Microprocesador PA-RISC 7300LC Microprocesador RISC R800
  37. CLASIFICACION DE LOS COMPUTADORES

×