Arquitectura de computadores en sus fundamento s básicos
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1. Procesador de 8 bits
Introducción
Procesador
El procesador (CPU, por Central Processing Unit o Unidad Central de Procesamiento), es por decirlo de alguna manera,
el cerebro del ordenador. Permite el procesamiento de información numérica, es decir, información ingresada en formato
binario, así como la ejecución de instrucciones almacenadas en la memoria.
Es un circuito electrónico que funciona a la velocidad de un reloj interno, gracias a un cristal de cuarzo que, sometido a
una corriente eléctrica, envía pulsos, denominados "picos". La velocidad de reloj (también denominada ciclo),
corresponde al número de pulsos por segundo, expresados en Hertz (Hz). De este modo, un ordenador de 200 MHz
posee un reloj que envía 200.000.000 pulsos por segundo. Por lo general, la frecuencia de reloj es un múltiplo de la
frecuencia del sistema (FSB, Front-Side Bus o Bus de la Parte Frontal), es decir, un múltiplo de la frecuencia de la placa
madre.
Con cada pico de reloj, el procesador ejecuta una acción que corresponde a su vez a una instrucción o bien a una parte de
ella. La medida CPI (Cycles Per Instruction o Ciclos por Instrucción) representa el número promedio de ciclos de reloj
necesarios para que el microprocesador ejecute una instrucción. En consecuencia, la potencia del microprocesador puede
caracterizarse por el número de instrucciones por segundo que es capaz de procesar. Los MIPS (millions of instructions
per second o millones de instrucciones por segundo) son las unidades que se utilizan, y corresponden a la frecuencia del
procesador dividida por el número de CPI.
Esta conformado por un conjunto de circuitos electrónicos altamente integrado para cálculo y control computacional, es
utilizado como Unidad Central de Proceso en un sistema microordenador y en otros dispositivos electrónicos complejos
como cámaras fotográficas , impresoras, etc. y como añadido en pequeños aparatos extraíbles de otro aparato más
complejo como por ejemplo: equipos musicales de automóviles, etc.
El primer microprocesador (Intel 4004) se inventó en 1971. Era un dispositivo de cálculo de 4 bits, con una velocidad de
108 kHz. Desde entonces, la potencia de los microprocesadores ha aumentado de manera exponencial.
Los procesadores modernos están integrados por millones de transistores y otros componentes empaquetados en una
cápsula cuyo tamaño varía según su las necesidades de las aplicaciones a las que van dirigidas, y que van actualmente
desde el tamaño de un grano de lenteja hasta el de casi una galleta. Las partes lógicas que componen un procesador son,
entre otras: unidad aritmético-lógica, registros de almacenamiento, unidad de control, Unidad de ejecución, memoria
caché y buses de datos control y dirección.
Procesador de 8 Bits
En arquitectura de computadoras, 8 bits es un adjetivo usado para describir enteros, direcciones de memoria u otras
unidades de datos que comprenden hasta 8 bits (1 octeto) de ancho, o para referirse a una arquitectura de CPU y ALU
basadas en registros, bus de direcciones o bus de datos de ese ancho.
Las CPU de 8 bits normalmente usan un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits lo que causa que su
memoria direccionable esté limitada a 64 kilobytes; sin embargo esto no es una "ley natural", ya que existen
excepciones.
El primer microprocesador de 8 bits ampliamente utilizado es el Intel 8080, que se usó en computadores de aficionados a
finales de los años 1970 y principio de los años 1980, muchos corriendo el sistema operativo CP/M. En el sistema
binario, hay 28 (256) posibles permutaciones para 8 bits.
2. Definiciones:
ALU
La unidad central de proceso UCP es el verdadero cerebro de la computadora; su misión consiste en coordinar y
controlar o realizar todas Las operaciones del sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es exclusivamente
electrónica (circuitos). Es el verdadero cerebro de la computadora; su misión consiste en coordinar y controlar o realizar
todas Las operaciones del sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es exclusivamente electrónica (circuitos).
Sus partes principales son Las siguientes:
El Procesador (P). Que a su vez se compone de:
La unidad de control (UC).
La unidad aritmético – lógica (UAL).
La Memoria Central (MC).
La unidad central de proceso también incorpora un cierto número de registros rápidos (pequeñas unidades de
memoria) de propósito especial, que son utilizados internamente por la misma.
Unidad de control (UC)
La unidad de control (UC) es el centro nervioso de la computadora; desde ella se controla y gobiernan todas las
operaciones (búsqueda, decodificación, y ejecución de la instrucción). Para realizar su función, consta de los siguientes
elementos:
Registro de contador de programas (CP)
Registro de Instrucciones (RI)
Decodificador (D)
Reloj (R)
Generador de Señales o Secuenciador (S)
Registro de contador de programas (CP).
También denominado registro de control de Secuencia (RCS), contiene permanentemente la dirección de memoria de la
próxima instrucción a ejecutar. Si la instrucción que se está ejecutando en un instante determinado es de salto o de
ruptura de secuencia, el RCS tomará la dirección de la instrucción que se tenga que ejecutar a continuación; esta
dirección la extraerá de la propia instrucción en curso.
El primer paso para la ejecución de una instrucción, consiste en ir a buscarla en memoria, el CP indica cual es la
dirección de memoria donde se halla esa instrucción. Una vez obtenida y antes de continuar con los siguientes pasos una
señal de control incrementa el CP en una unidad, por lo cual los programas deben estar escritos (cargados) en posiciones
consecutivas de memoria. El CP pasa la dirección al Registro de Direcciones
Registro de Direcciones (RD).
Contiene la dirección de memoria donde se encuentra la próxima instrucción y esta comunicado con el Bus de
Direcciones. El tamaño de este registro determina el tamaño de la memoria que puede direccionar. Con la dirección de
memoria, se transfiere a través el Bus de Datos desde la memoria central al Registro de Datos en la UC la instrucción
correspondiente. Esta transferencia se realiza mediante señales de control. Una vez que la instrucción se encuentra en la
UCP, el código de la instrucción pasa al registro de instrucciones.
Registro de Instrucciones (RI).
Contiene la instrucción que se está ejecutando en cada momento. Esta instrucción llevará consigo el código de operación
(CO), acción de que se trata, y en su caso los operandos o las direcciones de memoria de los mismos. Pasa el CO al
decodificador.
Decodificador (D).
Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso (que está en el RI) y dar las señales
necesarias al resto de los elementos para su ejecución por medio del Generador de Señales.
Generador de Señales(GS).
En este dispositivo se generan órdenes muy elementales (microórdenes) que, sincronizadas por los impulsos del reloj,
hacen que se vaya ejecutando poco a poco la instrucción que está cargada en el RI.
Reloj (R).
Proporciona una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes (frecuencia constante), que marcan los instantes
en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción.
3. Unidad aritmético–lógica (UAL)
Esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético (generalmente sumas o restas) y de
tipo lógico (generalmente comparaciones). Para realizar su función, consta de los siguientes elementos:
Banco de registros (BR). Está constituido por 8, 16 ó 32 registros de tipo general que sirven para situar dates
antes de cada operación, para almacenar datos intermedios en las operaciones y para operaciones internas del
procesador.
Circuitos operadores (CIROP). Compuesto de uno o varios circuitos electrónicos que realizan operaciones
elementales aritméticas y lógicas (sumador, complementador, desplazador, etc).
Registro de resultado (RR). Se trata de un registro especial, en el que se depositan los resultados que producen
los circuitos operadores.
Señalizadores de estado (SE). Registro con un conjunto de biestables en los que se deja constancia de algunas
condiciones que se dieron en la última operación realizada.
La memoria central (MC)
Es la parte de la unidad central de proceso de una computadora donde están almacenadas las instrucciones y los datos
necesarios para que un determinado proceso pueda ser realizado.
La memoria central está constituida por una multitud de celdas o posiciones de memoria, numeradas de forma
consecutiva, capaces de retener, mientras la computadora esté conectada, la información necesaria.
Por otra parte, es una memoria de acceso directo, es decir, puede accederse a una de sus celdas conociendo su posición.
Para esta memoria el tiempo de acceso es más corto que para Las memorias auxiliares, por tanto, los datos que manejan
los procesos deben residir en ella en el momento de su ejecución.
Es importante no confundir los términos celda o posición de memoria con el de palabra de computadora, ya que esta
última es el conjunto de posiciones de memoria que pueden introducirse o extraerse de la memoria de una solo vez
(simultáneamente).
4. La memoria central tiene asociados dos registros para la realización de operaciones de lectura o escritura, y un
dispositivo encargado de seleccionar una celda de memoria en coda operación de acceso sobre la misma:
Registro de dirección de memoria (RDM). Contiene la dirección de memoria donde se encuentran o va a ser
almacenada la información (instrucción o dato), tanto si se trata de una lectura como de una escritura de o en
memoria central, respectivamente.
Registro de intercambio de memoria (RIM). Si se trata de una operación de lectura, el RIM es quien recibe el
dato de la memoria señalado por el RDM, para su posterior envío a uno de Los registros de la UAL. Si se trata
de una operación de escritura, la información a grabar tiene que ester en el RIM, para que desde él se transfiera
a la posición de memoria indicada por el RDM.
Selector de memoria (SM). Es el dispositivo que, tras una orden de lectura o escritura, conecta la celda de
memoria cuya dirección figure en el RDM con el RIM, posibilitando la transferencia de Los dates en un sentido
o en otro.
MBR
El Master Boot Record (MBR) es un pequeño programa que es ejecutado en cada Inicio del sistema operativo y se
encuentra ubicado en el primer sector absoluto (Track 0, head 0, sector 1) del disco duro en una PC y que busca la Tabla
de Particiones para transferirla al Sector de Arranque (Boot).
El MBR está compuesto por código ejecutable y las entradas de la Tabla de Particiones.
Registros
Cuando el procesador ejecuta instrucciones, la información almacena en forma temporal en pequeñas ubicaciones de
memoria local de 8, 16, 32 o 64 bits, denominadas registros. Dependiendo del tipo de procesador, el número total de
registros puede variar de 10 a varios cientos.
Los registros más importantes son:
Registro acumulador (ACC), que almacena los resultados de las operaciones aritméticas y lógicas;
Registro de estado (PSW, Processor Estado: Word o Palabra de Estado del Procesador), que contiene los
indicadores de estado del sistema (lleva dígitos, desbordamientos, etc.);
Registro de instrucción (RI), que contiene la instrucción que está siendo procesada actualmente;
Contador ordinal (OC o PC por Program Counter, Contador de Programa), que contiene la dirección de la
siguiente instrucción a procesar;
Registro del búfer, que almacena información en forma temporal desde la memoria.
Señales de Control
Las señales de control son señales electrónicas que orquestan las diversas unidades del procesador que participan en la
ejecución de una instrucción. Dichas señales se envían utilizando un elemento denominado secuenciador. Por ejemplo, la
señal Leer/Escribir permite que la memoria se entere de que el procesador desea leer o escribir información.
Ciclo de CPU
Un ciclo de CPU es un pulso electromagnético que genera el oscilador de cuarzo presente en todo procesador o
microprocesador de computadora. Un ciclo de CPU, es para la computadora, lo que para el ser humano es un latido de
corazón.
La velocidad de funcionamiento del microprocesador viene determinada por el ritmo de los impulsos de su reloj.
Este reloj u oscilador es un circuito electrónico encargado de emitir a un ritmo constante impulsos eléctricos.
El funcionamiento de este reloj es comparable con un metrónomo con su péndulo que oscila de izquierda a derecha. El
intervalo de tiempo que el péndulo tarda en recorrer esa distancia y regresar a su punto inicial se denomina ciclo.
Código de operación
En informática, un opcode (operation code) o código de operación, es la porción de una instrucción de lenguaje de
máquina que especifica la operación a ser realizada. Su especificación y formato serán determinados por la arquitectura
del conjunto de instrucciones (ISA) del componente de hardware de computador - normalmente un CPU, pero
posiblemente una unidad más especializada. Una instrucción completa de lenguaje de máquina contiene un opcode y,
opcionalmente, la especificación de unos o más operandos - sobre los que la operación debe actuar. Algunas operaciones
tienen operandos implícitos, o de hecho ninguno.
Arquitectura Interna.
El Procesador de 8 bits se caracteriza por:
Tiene una arquitectura Von Neumann
El formato de los cálculos es secuencial.
Su procesador es tipo RISC.
5. ARQUITECTURA VON NEUMANN
La arquitectura de Von Neumann es una familia de arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de
almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos
Los ordenadores con esta arquitectura constan de cinco partes:
La unidad aritmético-lógica o ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datos
que proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes.
Un ordenador con esta arquitectura realiza o emula los siguientes pasos secuencialmente:
Enciende el ordenador y obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el
contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.
Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.
Decodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes
del ordenador para realizar una función determinada.
Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones
repetitivas. El contador puede cambiar también cuando se cumpla una cierta condición aritmética, haciendo que
el ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la
aritmética y lógica anteriores.
Vuelve al paso 1.
CPU
Bus de Datos Memoria de
Arquitectura
Datos y
Interna
Programas
Controlador Sección E/S
6. FORMATO DE CÁLCULOS SISD
En computación, SISD (siglas en inglés de Single Instruction, Single Data, en español: "una instrucción, un dato") es un
término que se refiere a una arquitectura en la que un sólo procesador, un uniprocesador, ejecuta un sólo flujo de
instrucciones, para operar sobre datos almacenados en una única memoria.
Esta arquitectura pertenece a Von Neumann que corresponde a computadoras que tienen un solo CPU ejecutando una
instrucción a la vez, esta estructura secuencial es aquella en la que una acción (instrucción) sigue a otra en secuencia. Las
tareas se suceden de tal modo que la salida de una es la entrada de la siguiente y así sucesivamente hasta el fin del
proceso, corresponde a la realización en secuencia sin tomas de decisión, de un conjunto de operaciones elementales, en
este tipo de computadoras solo se puede buscar o almacenar un elemento de datos a la vez.
Los programas y datos se encontraron en una memoria externa para ejecutar una instrucción la computadora ejecuta:
1. Traer el código de instrucción a ejecutar
2. Decodificación de la instrucción
3. Traer los comandos (si se requiere)
4. Ejecutar la instrucción y guardar el resultado
En un procesador secuencial sólo se puede ejecutar una instrucción y hasta que ésta no termine, no se puede comenzar
con la ejecución de la siguiente. Además:
• Todos los registros se cargan simultáneamente.
• Todos los valores se propagan a través de las redes combinacionales hasta estabilizarse en las entradas de los
registros.
• Todos los elementos de almacenamiento están sincronizados al mismo flanco de reloj.
Este es el modelo tradicional de computación secuencial donde una unidad de procesamiento recibe una sola secuencia
de instrucciones que operan en una secuencia de datos.
7. PROCESADOR TIPO RISC
RISC: (Reduced Instruction Set Computer). Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducidas.
Es un tipo de microprocesador con las siguientes características fundamentales:
Incrementar el tamaño del conjunto de registros.
Mayor velocidad en la ejecución de instrucciones.
Implementar medidas para aumentar el paralelismo interno.
Añadir cachés enormes.
Añadir otras funcionalidades, como E/S y relojes para minicontroladores.
Construir los chips en líneas de producción antiguas que de otra manera no serían utilizables.
No hacer nada, ofrecer el chip para aplicaciones de bajo consumo de energía o de tamaño limitado.
Las características que generalmente son encontradas en los diseños RISC son:
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.
Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y
así simplificar el diseño del compilador (aunque existen muchas formas de separar los ficheros de registro de
entero y coma flotante).
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.
Instrucciones
Las instrucciones son muy simples y suelen ejecutarse en un ciclo máquina. Una instrucción es una operación elemental
que el procesador puede cumplir, se almacenan en la memoria principal, esperando ser tratadas por el procesador. Las
instrucciones poseen dos campos:
El código de operación, que representa la acción que el procesador debe ejecutar;
El código operando, que define los parámetros de la acción, depende a su vez de la operación. Puede tratarse
tanto de información como de una dirección de memoria.
Código de Operación Campo de Operación
El número de bits en una instrucción varía de acuerdo al tipo de información (entre 1 y 4 bytes de 8 bits).
Las instrucciones pueden agruparse en distintas categorías. A continuación presentamos algunas de las más importantes:
Acceso a Memoria: acceso a la memoria o transferencia de información entre registros.
Operaciones Aritméticas: operaciones tales como suma, resta, división o multiplicación.
Control: controles de secuencia, conexiones condicionales, etc.
Operaciones Lógicas: operaciones tales como Y, O, NO, NO EXCLUSIVO, etc
Hay cinco operaciones binarias básicas: AND, OR, NOT, XOR y ADD. La resta, multiplicación y división se derivan de
estas cinco anteriores. Cualquiera sea la longitud de la palabra o palabras objeto de la operación, siempre se hace de a un
bit por vez de derecha a izquierda (tal como si fuera una suma o resta con números decimales). Esto permite una
definición de cada operación que es independiente de la longitud del o de los operando(s). La operación NOT es la única
que se realiza sobre un sólo operando (es unaria), y las otras cuatro sobre dos operandos.
La operación AND (Y) tiene resultado 1 si sus dos operandos son ambos 1
La operación OR (O) tiene resultado 1 si cualquiera de sus operandos es 1
La operación XOR tiene resultado 1 si los operandos son distintos (uno en 0 y el otro en 1)
La operación NOT (NO) tiene resultado 1 si el operando es 0 y viceversa
La operación ADD (SUMA) se define igual que con los números decimales
8. OR
La puerta lógica O, más conocida por su nombre en inglés OR, realiza la operación de suma lógica.
La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta OR es:
AND
La puerta lógica Y, más conocida por su nombre en inglés AND, realiza la función booleana de producto lógico. Su
símbolo es un punto (·), aunque se suele omitir. Así, el producto lógico de las variables A y B se indica como AB, y se
lee A y B o simplemente A por B.
La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta AND es:
XOR
La OR - exclusiva se denomina la puerta de << algunos pero no todos >>. El termino OR - exclusiva con frecuencia se
sustituye por XOR. La tabla de verdad para la función XOR se muestra en la tabla 10 . un cuidadoso examen muestra
que esta tabla de verdad es similar a la tabla de verdad OR, excepto que cuando ambas entradas son 1 la puerta XOR
genera un 0.
NOT
La puerta lógica NO (NOT en inglés) realiza la función booleana de inversión o negación de una variable lógica. Una
variable lógica A a la cual se le aplica la negación se pronuncia como "no A" o "A negada".
La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta NOT es:
9. DISEÑO
Diagrama de Bloques
0
8 1
REG. 2
MEMORIA INSTR. 3
DEL 4
PROGRAMA DEC. 5
INSTR. 6
CLK
7
8
9
10
8 11
12
13
14
PC
8 REG. 8
0 8
CLR DAT. OR
CLK 8
AND 1
8
CLR XOR 2
A
B
GCM C
NOT 3 8
D
E
8
SUMA 4
8
RESTA 5
RELOJ MAESTRO
CISC MULT 6 8
8
DIV 7
8
DECREM 8
INCREM 9 8
8
10
MOV. DER.
8
MOV. IZQ. 11
BORRA 12 8
NO OP 8
13
CARGAR 14 8
8 8 8
ACC ACC
TEMP.
CLK
CLK
