Arquitectura de Computadores

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1 Arquitectura de Computadores
Clase 2 Arquitecturas y Partes de la CPU

2 Índice 4.Unidad de Central de Procesamiento (CPU)
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) 4.Unidad de Central de Procesamiento (CPU) 4.1 Partes de la CPU. 4.2 Ciclo de la Instrucción. 4.3 Conjunto de Instrucciones y tipos de funcionalidad. 4.4 Diseño de una CPU básica. 4.5 CISC/RISC. 4.6 Modos de direccionamiento. 4.7 Instrucciones en lenguaje de máquina. 4.8 Subrutinas y Manejo de Stack. 4.9 Interrupciones de software y hadware.

3 Unidad Central de Procesamiento
Introducción Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Unidad Central de Procesamiento (CPU o procesador) Componente principal de un computador, encargado del control de flujo, decodificación y ejecución de instrucciones, y procesamiento y transferencia de datos.  Cerebro del computador R.Mitnik 3 Arquitectura de Computadores 3

4 Índice 4.1 Partes de la CPU. 4.2 Ciclo de la Instrucción.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) 4.1 Partes de la CPU. 4.2 Ciclo de la Instrucción. 4.3 Conjunto de Instrucciones y tipos de funcionalidad. 4.4 Diseño de una CPU básica. 4.5 CISC/RISC. 4.6 Modos de direccionamiento. 4.7 Instrucciones en lenguaje de máquina. 4.8 Subrutinas y Manejo de Stack. 4.9 Interrupciones de software y hadware.

5 Partes de la CPU Responsabilidades Ejecutar Operaciones y Algoritmos
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Responsabilidades Ejecutar Operaciones y Algoritmos Controlar Flujo del Programa Controlar Circuitos Internos

6 Partes de la CPU Ejecutar Operaciones y Algoritmos 5 ALU 9 4 9
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Ejecutar Operaciones y Algoritmos Memoria 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A Load (7h) Requisitos: Procesar instrucción Leer datos Almacenar Temporalmente los datos ALU – FPU Almacenar Resultados 5 ALU 9 Explicitar que la ALU y la memoria son elementos fundamentales para estos requisitos 4 9

7 Partes de la CPU ALU 4 Control de Flujo 9 9 5 Requisitos
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Memoria Ej. programa anterior. LOAD (07h) ADD (09h) MOVE(0Ah) GOTO(08h) 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A LOAD (07h) ADD(09h) MOVE(0Ah) GOTO(08h) ALU 4 Control de Flujo Ya vimos los requisitos para ejecutar cada instrucción o necesidad. Ahora bien, que requerimos para ejecutar este conjunto de instrucciones coherentemente y en orden? Que circuito digital podemos usar para implementar el instruction pointer: Contador Que necesita ademas de contar? Load (para los saltos) 9 9 5 Requisitos Instruction Pointer Mecanismos de Salto

8 Partes de la CPU ALU Circuitos internos mux Requisitos Buses internos.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Ej. implementación Circuitos internos Requisitos Buses internos. Señales de control. ALU (función) Mux Registros (Load,etc) Contador (Inc, Load,etc) contador memoria mux 00 LOAD (07h) 01 ADD(09h) 02 MOVE(0Ah) 03 GOTO(08h) 04 05 06 07 08 09 0A registro ALU HASTA AQUÍ LLEGUE EN LA CLASE. TODO EL RESTO DE LA PPT LO VI EN OTRA CLASE COMPLETA  ME TOMÓ DOS CLASES COMPLETAS PASAR ESTA PPT (en la segunda clase repasé las dos slides anteriores también a manera de contexto) Finalmente, cómo orquestamos todo esto de manera sincronizada? Introducir la pregunta “¿Quién genera las señales de control?”, siguiente diapositiva es de control & decode

9 n señales de control para la instrucción
Partes de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Control & Decode procesa las instrucciones. ROM Espacio de Direccionamiento determina cantidad de instrucciones Las salidas son señales de control para ejecutar una instrucción. Control & Decode Explicar en detalle: Cómo el C&D toma una instrucción y genera las señales de control. Dibujar una ROM en el pizarrón Explicar que cada dirección corresponde a una instrucción, siendo la dirección la codificación (opcode) de la instrucción. La palabra almacenada en esa dirección corresponde a las señales de control La salida está cableado al resto de la CPU. Dibujé en el pizarrón una ROM. Expliqué en el pizarrón basándome en el siguiente ejemplo (que además ayuda a que empiecen a entender qué es una instrucción y cómo funcionan): Asumamos que la palabra 11011xxxxxxxxx corresponde a la instrucción LOAD. Los primeros 5 bits, en este caso, corresponden al codigo de la instrucción (opcode). Son esos 5 bits los que determinan qué instrucción se va a ejecutar, y los siguientes bits corresponden a los parámetros de la instrucción (por ejemplo, en LOAD(07h) el 07h tendría que ir como parámetro). Así, cada instrucción distinta tiene un opcode distinto, y la siempre que el opcode sea la CPU va a ejecutar la instrucción LOAD. Ahora bien, estos bits del opcode entran como dirección al Control & Decode, de manera que cada opcode (instrucción) va a estar asociada a una palabra (fila) específica del C&D. Cada bit de salida de la ROM está conectado a las señales de control de los distintos componentes del computador. Es así como la palabra asociada a cada instrucción no es más que el conjunto de señales de control necesarioas para que la CPU ejecute lo que se le está pidiendo. De esta forma, se podría entender como que es el C&D el que “sabe” leer las instrucciones y ejecutarlas. Sin embargo, realmente no tiene idea de lo que está pasando ni de lo que está haciendo. Sólo genera una salida preprogramada para cada entrada, y resulta que con esas salidas todo funciona de manera que, al final, se ejecuta la instrucción requerida. Instrucción de k bits 2k palabras n bits por palabra n señales de control para la instrucción

10 Registros de la CPU Partes de la CPU
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Registros de la CPU Es donde se almacenan temporalmente los datos requeridos por la CPU, tanto para su control como para ejecutar cada instrucción

11 Registros de la CPU Un procesador incluye: Registros Visibles.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU Un procesador incluye: registros visibles para el usuario registros de control/estado. Registros Visibles. Pueden referenciarse en las instrucciones. Se clasifican en: Uso general. Datos. Direcciones. Códigos de Condición

12 ¿Cuántos registros de propósito general?
Registros de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU ¿Cuántos registros de propósito general? Óptimo entre 8 y 32 Pocos registros  demasiados accesos a memoria. Muchos registros no reducen considerablemente las referencias a memoria Muchos registros CPU más compleja. Número mágico, sacado de pruebas experimentales. Pruebas no se hacen simplemente sumando o multiplicando matrices, sino que usando distintas cargas reales, como cargas intensivas en cálculo numérico (Matlab), alto uso de I/O y red (servidores), uso de grandes cantidades de datos, juegos, etc. Ejemplo con un registro muestra que el uso de un solo registro hace muy verboso el código y muy trabado de programar. Al usar muuuuchos registros resulta que voy a tener registros que nunca voy a utilizar dado que no tengo tantas variables. Sin embargo, más registros implican más señales de control, un C&D más ancho, más circuitería, más complejidad para indicar el registro que quiero accesar, y finalmente lo que pierdo y complejizo es más que lo que gano con registros que, a la postre, nunca voy a usar. Ejemplo: Ejecutar con un solo registro  (A+B)/(B+A·C) LOAD A LOAD B  no me sirve, se me perdió A ADD B STORE D  guarda el resultado en la dirección D MULT C STORE E LOAD D DIV E  y recién aquí tengo el resultado

13 ¿De cuántos bits deben ser los registros?
Registros de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU ¿De cuántos bits deben ser los registros? Deben ser de un número suficiente tal que se puedan manejar las direcciones a memoria. Además deben ser capaces de manejar una palabra completa. A veces se combinan dos registros para conformar uno solo.

14 Registros de la CPU Registros Control/Estado.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU Registros Control/Estado. controlar el funcionamiento de la CPU PC = program counter: contiene la dirección de la instrucción a captar IR = instruction register: contiene la última instrucción captada MAR = memory address register: contiene la dirección de una posición de memoria. MBR = memory buffer register: contiene la palabra de datos a escribir en memoria, o la palabra leída más recientemente Por qué necesito un IR???  Como puedo neceistar accesar a memoria para buscar operandos de la instrucción, necesito guardar la instrucción en un registro independiente, de manera de permitir otros accesos a memoria. Si leyera la instrucción desde memoria, al ir a buscar un operando perdería la instrucción, por lo que debo guardarla en algún lugar mientras ejecuto toda la instrucción.

15 Registros de la CPU Registros Control/Estado.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU Registros Control/Estado. Adicionalmente se cuenta con PSW = program status word: Signo: contiene elbit de signo del resultado de última operación Cero: puesto a uno cuando el resultado es 0 Acarreo: puesto a uno si en la suma hay acarreo o en la resta hay un adeudo del bit más significativo Igual: puesto a uno si el el resultado de una comparación lógica es la igualdad Desbordamiento: Usado para indicar desbordamiento aritmético

16 Registros de la CPU Registros Control/Estado.
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU Registros Control/Estado. Adicionalmente se cuenta con PSW = program status word: (continuación) Interrupciones: usado para permitir o inhabilitar interrupciones Supervisor: indica si la CPU funciona en modo supervisor o usuario. Únicamente en modo supervisor se pueden ejecutar ciertas instrucciones privilegiadas y se puede acceder a ciertas áreas de memoria

17 Partes de la CPU ALU mux Ej. Implementación modificado
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) contador Ej. Implementación modificado memoria mux 00 LOAD (07) 01 ADD(09) 02 GOTO(0A) 03 04 05 06 07 08 09 0A registro ALU Control & Decode Señales de Control IR

18 Partes de la CPU Partes de la CPU. Registros ALU FPU Control & Decode
Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Partes de la CPU. Registros Program Counter Instruction Register Uso general ALU FPU Control & Decode Buses Circuitería

19 Resumen Resumen Distintas arquitecturas
Partes de la CPU y sus funciones Registros Visibles Control/Estado ALU, FPU Control & Decode Decodificación de instrucciones Señales de control Buses Internos Circuitería

20 Utilización de funciones en Excel

21 Las funciones son fórmulas predefinidas que ejecutan cálculos por medio de valores específicos, denominados argumentos, y que, en general, devuelven un resultado.

22 El uso de funciones simplifica al mismo tiempo que potencia las posibilidades en cuanto al cálculo que ofrece la planilla. Por ejemplo si tenemos que calcular el total gastado en una semana teniendo como datos los gastos diarios haríamos lo siguiente:

23 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Referencias de celdas y rangos
La referencia de celda tiene cuatro estilos: Relativa. La referencia es totalmente relativa. Cuando se copia la fórmula, la referencia de la celda se ajusta a su nueva colocación. Por ejemplo, A1. Absoluta. La referencia es totalmente absoluta. Cuando se copia la fórmula, la referencia de la celda no cambia. Por ejemplo $A$1. Fila Absoluta. La referencia es parcialmente absoluta. Cuando se copia la fórmula, la parte de la columna se ajusta, pero la parte de la fila no cambia. Por ejemplo: A$1. Columna Absoluta. La referencia es parcialmente absoluta. Cuando se copia la fórmula, la parte de la fila se ajusta, pero la parte de la columna no cambia. Por ejemplo: $A1. Todas las referencias de celdas y rangos son relativas por defecto. Para cambiar una referencia basta con añadir el signo del dólar ($) manualmente.

24 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Ejemplo de referencias no relativas

25 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Referenciar otras hojas o libros de cálculo
Las referencias a celdas y rangos no deben encontrarse necesariamente en la misma hoja de la fórmula. Para referirse a una celda de una hoja de cálculo diferente hay que colocar, antes de la referencia de la celda, el nombre de la hoja seguida por un signo de exclamación. =Hoja2!A1+1 También es posible crear fórmulas de vínculo para referirse a una celda de un libro de trabajo diferente. Para ello hay que anotar, antes de la referencia de la celda, el nombre del libro (entre corchetes), el nombre de la hoja de cálculo y el signo de exclamación. =[Libro1]Hoja1!A1+1

26 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Referenciar otras hojas o libros de cálculo
Si el libro de trabajo incluye en la referencia uno o más espacios, es necesario encerrarlo (y el nombre de la hoja) entre apóstrofos. Por ejemplo: =´[Base de datos.xls]Hoja8´!A1+1 Si el libro de trabajo está cerrado, es necesario añadir la ruta de acceso a la referencia del libro de trabajo. He aquí un ejemplo: =´C:\Mis Documentos\[Base de datos.xls]Hoja8´!A1+1

27 HOJA DE CÁLCULO EXCEL El uso de nombres Nombrar celdas y rangos
Se pueden nombrar celdas, rangos, filas, columnas, gráficos y otros objetos. Una ventaja única que proporciona Excel es la de poder asignar nombres a valores o fórmulas que ni siquiera aparecen en las celdas de la hoja de cálculo. Nombrar celdas y rangos Se pueden crear nombres para las celdas o los rangos mediante INSERTAR NOMBRE DEFINIR (o presionando Control-F3). Se puede elegir INSERTAR NOMBRE CREAR para la creación de nombres automáticamente para celdas o rangos basados en títulos de filas o columnas de una hoja de cálculo.

28 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Nombrar celdas y rangos
Por ejemplo en la siguiente figura, B2:E2 tienen designado el nombre Norte, B3:E3 se denomina Sur, y así sucesivamente. Verticalmente, B2:B5 tiene designado el nombre de Trim-1, C2:C5 el de Trim-2, etc.

29 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Aplicar nombres a referencias existentes
Si se crea un nuevo nombre para una celda o rango, Excel no usa automáticamente el nombre en lugar de las referencias existentes en las fórmulas. Por ejemplo, suponiendo que existe la siguiente fórmula en la celda F10: =A1-A2 Si se define el nombre Ingresos para la celda A1 y Gastos para la celda A2, Excel no cambiará automáticamente la fórmula a =Ingresos-Gastos. Sin embargo, es bastante fácil reemplazar las referencias a celdas o rangos por sus correspondientes nombres. Primero hay que seleccionar el rango que se quiere modificar. Después se elige el comando INSERTAR, NOMBRE, APLICAR. En el cuadro de diálogo Aplicar nombres hay que seleccionar los nombres que se quieren aplicar y después hacer clic en el botón Aceptar. Excel reemplaza las referencias del rango con los nombres en las celdas seleccionadas.

30 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Intersección de nombres
Excel posee un operador especial denominado operador de intersección que aparece cuando está trabajando con rangos. Este operador es el operador espacio. Al usar nombres con el operador intersección se facilita la creación de fórmulas significativas. Por ejemplo la siguiente fórmula =Trim-2 Sur devolverá el resultado 180 (o intersección del rango Trim-2 y el rango Sur. Para obtener el total de la región Oeste, se puede usar la función: =SUMA(Oeste)

31 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Designar nombres para columnas y filas
Con Excel también se pueden designar nombres para filas y columnas completas. En el ejemplo anterior, se ha asignado el nombre Trim-1 al rango B2:B5. De forma alternativa, se puede designar el nombre Trim-1 a toda la columna B, Trim-2 a toda la columna C, etc... Ámbito de los nombres Normalmente, una celda o rango denominado tiene un ámbito a nivel de un libro de cálculo; en otras palabras, se puede usar el nombre en cualquier hoja de cálculo de un libro. Los nombres que tienen un ámbito de hoja de cálculo se podrán usar sólo en la hoja donde fueron definidos; de hecho, un nombre de este tipo no será visible en el Cuadro de nombres de una hoja en la que no esté definido. Tampoco se encontrará el nombre al nivel de una hoja de cálculo en el cuadro de diálogo definir nombre de cualquier hoja en la que no esté definido.

32 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Ámbito de los nombres Nombrar constantes
Para crear un nombre a nivel de una hoja de cálculo, se debe definir el mismo precedido por el nombre de la hoja, por ejemplo: =Hoja1!Ventas Nombrar constantes Esto se hace con la opción INSERTAR DEFINIR NOMBRE.

33 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Nombrar fórmulas
Además de nombrar celdas, rangos y constantes también se puede introducir una fórmula directamente en la casilla Se refiere a: del cuadro de diálogo Definir nombre para crear el nombre de la fórmula. Esto se hace con la opción INSERTAR DEFINIR NOMBRE.

34 Con una fórmula: Con una función:

35 Sintaxis de una función
=NOMBRE (argumento1;argumento2;...argumenton) NOMBRE se refiere a la denominación de la función. Cada función tiene un conjunto de argumentos válidos. Pueden ser valores numéricos, alfanuméricos, direcciones de celdas, valores lógicos, etc., e incluso otras funciones.

36 Para ingresar funciones:
Caso contrario se hará uso del asistente de funciones desde el menú INSERTAR --> FUNCIÓN o seleccionando de la barra de herramientas. Si se conoce la sintaxis de la función, puede ingresarse manualmente en la celda respectiva. La función ingresada se visualizará en la barra de fórmulas:

37 Utilizando el asistente de funciones:
1 2 3 1- Clasificación por tipo de función 2- Lista de funciones disponibles 3- Breve descripción de la función

38 El asistente de funciones
Una vez elegida una de las funciones de la lista, se visualizará un asistente en donde para cada argumento de la función existe un cuadro de texto . Al presionar se accede a la planilla para seleccionar las celdas que conforman el argumento

39 Algunas funciones de propósito general:

40 HOJA DE CÁLCULO EXCEL Categorías de funciones Financieras Fecha y Hora
Matemáticas y Trigonométricas Estadísticas Búsqueda y referencia Bases de Datos Texto Lógicas Información

41 AutoSum

42 Función SUMA =SUMA(argumento1;argumento2;...argumenton)
Función matemática que devuelve el resultado de la adición de los argumentos, que pueden ser valores, direcciones de celdas o rangos de celdas. Si el contenido de la celda es de tipo alfanumérico, se ignora.

43 Ejemplo:

44 Función PROMEDIO =PROMEDIO(argumento1;argumento2;...argumenton)
Función estadística que devuelve el promedio o media aritmética de los argumentos especificados. Estos pueden ser valores, referencias de celdas o rangos de celdas.

45 Ejemplo:

46 Función CONTAR =CONTAR(argumento1;argumento2;...argumenton)
Función estadística que cuenta el número de celdas que contienen valores numéricos. Los argumentos que son valores de error o bien un texto que no puede traducirse en números, se pasan por alto.

47 Ejemplo:

48 Funciones MÁXIMO y MÍNIMO
=MAX(argumento1;argumento2;...argumenton) =MIN(argumento1;argumento2;...argumenton) Funciones estadísticas que devuelven, respectivamente, el máximo y el mínimo de un conjunto de valores o contenidos de celdas consignados en los argumentos. Si los argumentos no contienen números, ambas funciones devuelven 0.

49 Ejemplos:

50 Las Funciones Estadísticas más utilizadas en Excel (II)
Función Moda. =MODA(Números) Proporciona como resultado el valor que más se repite en un rango dado. Función Contara =CONTARA(Rango) Cuenta las celdas no vacías en un rango dado.

51 Las Funciones Estadísticas más utilizadas en Excel (III)
Función Contar.si CONTAR.SI(Rango) Cuenta las celdas en el rango que coinciden con la condición dada. Función Mediana =MEDIANA(Números) Halla el número que se encuentra en medio de un conjunto de números, es decir, la mitad de los números es mayor que la mediana y la otra mitad es menor.