Composición Interna de un Procesador CPU Composición Interna de un Procesador

Arquitecturas de las Computadoras Modernas La gran mayoría de las computadoras de la actualidad están basadas en el modelo arquitectónico de Von Neumann. Sin embargo, las computadoras digitales han evolucionado significativamente, particularmente con el diseño de procesadores que incorporan elementos que los hacen más eficientes y que les proveen nuevas funcionalidades, tales como procesamiento de multimedia, proceso matemático, conectividad en red, computación paralela, etc. La Arquitectura Harvard establece dos unidades de memoria y dos buses para el proceso separado de datos e instrucciones. Sin embargo, esto implica un incremento considerable de complejidad y precio. Existen otras arquitecturas computacionales, pero éstas son generalmente usadas para la computación paralela.

Composición Interna del Procesador (CPU) El Procesador o Unidad de Procesamiento Central (CPU) es un circuito integrado que encapsula tanto a la Unidad de Ejecución (EU), muchas veces referida como Unidad Aritmética Lógica (ALU), su componente más importante, y la Unidad de Control (CU). El CPU se conecta con el resto de los componentes de la computadora por medio de un sistema de buses.

Composición Interna del Procesador (CPU) El CPU contiene varios registros.  Un registro es una memoria de alta velocidad y poca capacidad, que permite guardar transitoriamente y acceder a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas. Un bus interno del CPU permite transferir datos entre varios registros, la Unidad de Control y la Unidad de Ejecución. El CPU también requiere de rutas para la transferencia de datos o de señales de control. La ALU en realidad opera únicamente con datos contenidos en la memoria interna del CPU (registros), mismos que pudieron haber sido extraídos, mediante una operación fetch, de la memoria principal de la computadora.

Composición Interna del Procesador (CPU) – Organización de Registros Los registros de CPU juegan dos roles: Registros visibles al usuario: Un registro visible al usuario es aquel que puede ser referenciado mediante el lenguaje de máquina que ejecuta el CPU. Estos permiten a los programadores de lenguaje de máquina o ensamblador minimizar las referencias a la memoria principal, optimizando el uso de los registros. Registros de control y estatus: Estos son usados por la Unidad de Control para controlar la operación del CPU y por programas privilegiados del sistema operativo para controlar la ejecución de programas. La mayoría de éstos en la mayoría de las máquinas, no son visibles al usuario. Algunos pueden ser visibles a instrucciones de máquina ejecutadas en un modo de control o sistema operativo. Nota: No hay una clara separación entre estas dos categorías de registros. Por ejemplo, en procesadores Intel, el contador de programa (PC) es visible al usuario; en los procesadores PowerPC de IBM, no lo es.

Registros Visibles al Usuario Composición Interna del Procesador (CPU) – Registros Visibles al Usuario Registros Visibles al Usuario Estos registros pueden ser categorizados como sigue: Registros de Propósito General: Pueden ser utilizados para una variedad de funciones por el programador. Algunas veces su uso es ortogonal dentro del conjunto de instrucciones, lo que quiere decir que pueden ser utilizados para contener los operandos de las instrucciones. Sin embargo, puede haber registros dedicados a operaciones de punto flotante y operaciones de stack. En algunos casos, los registros de propósito general pueden ser usados para funciones de direccionamiento; por ejemplo, para especificar desplazamientos indirectos. En algunos casos, hay una clara distinción y separación entre registros para datos y registros para direcciones. Los registros de datos podrían ser utilizados únicamente para almacenar datos y no para calcular la dirección de un operando.

Composición Interna del Procesador (CPU) – Registros Visibles al Usuario Los registros de direcciones podrían ser en parte registros de propósito general, o pueden ser usados únicamente para un modo particular de direccionamiento. Por ejemplo: Apuntadores de segmento: En una máquina con un direccionamiento segmentado, un registro de segmento almacena la dirección de la base (inicio) del segmento. Puede haber registros múltiples, uno para el sistema operativo y otro para el proceso en ejecución, por ejemplo. Registros índices: Usados para direccionamiento indexado y pueden ser auto indexados. Apuntador a stack: Si en la máquina existe el direccionamiento de stack visible al usuario, entonces el stack se encuentra en la memoria principal y existe un registro dedicado a apuntar a lo alto del stack. Esto permite el direccionamiento implícito, con esto, las operaciones típicas del stack, tales como push, pop y otras, no requieren de operandos explícitos de stack.

Las banderas más comunes en estos registros son: Composición Interna del Procesador (CPU) – Registros Visibles al Usuario Registro de Estatus o Registro de Palabra de Estatus de Programa (PSW): Contiene banderas (bits que especifican códigos de condición) y cuyos valores son asignados por el hardware del CPU en base al resultado de la ejecución de las instrucciones. También se le conoce como Registro de Banderas (Flags Register). Las banderas más comunes en estos registros son: Signo: Contiene el bit de signo del resultado de la última operación aritmética. Cero: Se le da el valor correspondiente dependiendo si el resultado de la última operación es cero o no. Carry: Su valor depende de si tras una suma resulta un carry, o tras una resta un borrow en la parte alta del resultado. Se usa en operaciones aritméticas multipalabra. Igual: Su valor depende de que si la comparación lógica de los datos resulta en igualdad o no. Sobre flujo: Usado para indicar una condición de sobre flujo. Habilitar/Deshabilitar Interrupciones: Usado para habilitar o deshabilitar interrupciones. Supervisor: Indica si el CPU está trabajando en modo de supervisor o de usuario. Algunas instrucciones privilegiadas pueden ser ejecutadas solo en modo supervisor, y solo se puede tener acceso a ciertas áreas de memoria en modo supervisor. Por ejemplo, una instrucción que implementa una operación aritmética puede producir un valor positivo, negativo, igual a cero o sobre flujo. Además, el resultado de la operación puede ser almacenado en un registro o en la memoria, para ello también se establece una bandera o código de condición. La bandera puede ser probada también como parte de una operación de salto condicional.

Registro de Estatus de un procesador Intel: Composición Interna del Procesador (CPU) – Registros Visibles al Usuario Registro de Estatus de un procesador Intel:

Composición Interna del Procesador (CPU) – Registros de Control y Estatus Cuatro registros son esenciales para la ejecución de instrucciones: Contador de programa (PC – del inglés Program Counter): Contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar y que tiene que ser extraída de la memoria mediante una operación fetch. Típicamente, el CPU actualiza el PC después de realizar cada fetch de instrucción, de tal manera que el PC siempre apunte a la siguiente instrucción a ejecutar. Una instrucción de salto también modifica el contenido de PC, almacenando en él la dirección que corresponde al salto especificado en la instrucción. Registro de Instrucción (IR – Instruction Register): Contiene la instrucción que va a ejecutarse, aquella que fue la última en ser extraída de memoria mediante un fetch. La instrucción que ha sido extraída de la memoria con un fetch, es almacenada en el IR, donde el opcode y los especificadores de operandos son analizados. Registro de Dirección de Memoria (MAR – Memory Address Register): Contiene la dirección de una localidad de memoria. Registro Buffer de Memoria (MBR - Memory Buffer Register): Contiene una palabra de dato que será escrita en memoria o que acaba de ser leída de la memoria. Los datos son intercambiados con la memoria usando los registros MAR y MBR. En un sistema organizado mediante bus, el MAR se conecta directamente con el bus de direcciones, y el MBR se conecta directamente con el bus de datos. Los registros visibles al usuario, en consecuencia, intercambian datos directamente con el MBR. Nota: Diferentes procesadores tienen diferentes organizaciones de registros y usan diferente terminología para referirse a los mismos.

Organización de Registros en algunos Procesadores Composición Interna del Procesador (CPU) – Organización de Registros en algunos Procesadores Organización de Registros en algunos Procesadores

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