Arquitectura de Computadores IIC 2342 Semestre 2008-2 Rubén Mitnik Pontificia Universidad Católica de Chile Escuela de Ingeniería Departamento de Ciencia.

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1 Arquitectura de Computadores IIC 2342 Semestre 2008-2 Rubén Mitnik Pontificia Universidad Católica de Chile Escuela de Ingeniería Departamento de Ciencia de la Computación Clase 5 Arquitecturas y Partes de la CPU

2 Objetivos Arquitecturas von Neumann Otras Unidad Central de Procesamiento (CPU) Responsabilidades Requisitos Partes de una CPU ALU Control & Decode Registros Electrónica y buses Objetivos R.Mitnik 2Arquitectura de Computadores

3 R.Mitnik 3 Índice Capítulo 3 : Arquitecturas 3. Arquitecturas 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) Arquitectura de Computadores

4 R.Mitnik 4 Introducción Capítulo 3 : Arquitecturas Arquitectura de Computadores Corresponde a la estructura, organización, e interconexión de las diversas partes de un computador Arquitectura de Computadores Arquitectura del set de instrucciones Cantidad de instrucciones Tamaño de las instrucciones Maneras de acceder a memoria Organización funcional Registros Interconexión entre los componentes Mecanísmos de Entrada/Salida (I/O) Jerarquías de memoria

5 R.Mitnik 5 Introducción Capítulo 3 : Arquitecturas Que hace un computador. Almacenar Datos (leer - escribir). Almacenar Programas. Ejecutar operaciones sobre datos. Ejecutar algoritmos. Recibir nuevos datos. Entregar resultados. Arquitectura de Computadores

6 R.Mitnik 6 Índice 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) Arquitectura de Computadores Capítulo 3 : Arquitecturas

7 R.Mitnik 7 Introducción Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann John von Neumann (se pronuncia «fon noiman») (28 de diciembre de 1903 - 8 de febrero de 1957) Fue un matemático húngaro- estadounidense, de ascendencia judía. Fue pionero de la computadora digital moderna y de la aplicación de la teoría operadora a la mecánica cuántica. Participó del Proyecto Manhattan Arquitectura de Computadores

8 R.Mitnik 8 Introducción Trabajó con Eckert y Mauchly en la Universidad de Pennsylvania, donde publicó un artículo acerca del almacenamiento de programas. El concepto de programa almacenado permitió la lectura de un programa directamente desde la memoria del computador, así como la ejecución de las instrucciones del mismo sin necesidad de un medio externo (cinta). (Tomado de Wikipedia: John von Neumann)John von Neumann Arquitectura de Computadores Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann

9 R.Mitnik 9 Arquitectura de von Neumann John von Neumann propuso una manera de estructurar un computador. Almacenar Datos (leer - escribir). Almacenar Programas. Ejecutar operaciones sobre datos. Ejecutar algoritmos. Recibir nuevos datos. Entregar resultados. CPUMemoriaInput/Output Arquitectura de Computadores Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann

10 R.Mitnik 10 Arquitectura de von Neumann CPU, Memoria e I/O se comunican a través de Buses. I/OMemoria Address Bus Control CPU Control Data Bus Arquitectura de Computadores Capítulo 3 : Arquitecturas –von Neumann

11 R.Mitnik 11 Índice 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) Arquitectura de Computadores Capítulo 3 : Arquitecturas

12 R.Mitnik 12 Arquitectura Harvard Capítulo 3 : Arquitecturas - Harvard Utiliza 2 memorias independientes Datos Instrucciones El término proviene de la computadora Harvard Mark I, que almacenaba las instrucciones en cintas perforadas y los datos en interruptores. Arquitectura de Computadores

13 R.Mitnik 13 Arquitectura Harvard Ventajas de la arquitectura Harvard Instrucciones y datos de distinto largo Memorias de distinto tamaño bits de direccionamiento distintos Memorias con distinta tecnología Disminuyo el cuello de botella en el acceso a memoria En controladores embebidos: RAM para los datos ROM para las instrucciones Arquitectura de Computadores Capítulo 3 : Arquitecturas - Comparación

14 R.Mitnik 14 Arquitectura de von Neumann Capítulo 3 : Arquitecturas - Comparación Ventajas de la arquitectura de von Neumann Uso mas eficiente de la memoria Jerarquía de memoria no requiere estar dividida en 2 Más simple arquitectónicamente Un solo tipo de instrucciones para acceder a memoria Un solo bus de datos y de direcciones  Una misma forma de acceso a datos e instrucciones Mayor flexibilidad Útil para el sistema operativo Paginación a disco Código automodificante  CPU con menos operaciones y mas flexible Arquitectura de Computadores

15 R.Mitnik 15 Índice 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) Arquitectura de Computadores Capítulo 3 : Arquitecturas

16 R.Mitnik 16 Multiprocesador Capítulo 3 : Arquitecturas Arquitectura de Computadores Procesador Memoria local * Procesador Memoria local Procesador Memoria local Procesador Memoria local Memoria Principal I/O * Memoria Local: mantiene una copia local de una porción de la memoria principal

17 R.Mitnik 17 Multiprocesador Capítulo 3 : Arquitecturas Ventajas Procesamiento paralelo Cercanía entre CPUs permite altas tasas de transferencia de datos Desventajas No todo es paralelizable Arquitectura de Computadores Problemas de coherencia de memoria local con memoria principal

18 R.Mitnik 18 Sistemas distribuidos Arquitectura de Computadores Red de interconexión Procesador Memoria I/O Procesador Memoria I/O Procesador Memoria I/O Capítulo 3 : Arquitecturas

19 R.Mitnik 19 Sistemas distribuidos Arquitectura de Computadores Red de interconexión Cada nodo funciona como un computador independiente Se comunican por red Distintas topologías: estrella, anillo, etc. Capítulo 3 : Arquitecturas

20 R.Mitnik 20 Sistemas distribuidos Arquitectura de Computadores Ventajas Procesamiento paralelo Facilidad de incorporar y quitar nodos del sistema Desventajas No todo es paralelizable Overhead en la transferencia de datos es considerablemente mayor Problemas de coherencia de memorias Capítulo 3 : Arquitecturas

21 R.Mitnik 21 Índice 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. Arquitectura de Computadores

22 R.Mitnik 22 Introducción Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Arquitectura de Computadores Componente principal de un computador, encargado del control de flujo, decodificación y ejecución de instrucciones, y procesamiento y transferencia de datos.  Cerebro del computador Unidad Central de Procesamiento (CPU o procesador)

23 R.Mitnik 23 Índice 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. Arquitectura de Computadores

24 R.Mitnik 24 Partes de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Responsabilidades Ejecutar Operaciones y Algoritmos Controlar Flujo del Programa Controlar Circuitos Internos Arquitectura de Computadores

25 R.Mitnik 25 9 00 01 1100011001 02 1110001010 03 1110000000 04 0110011000 05 0000011000 06 0001111000 07 0000000100 08 1111000000 09 0000000101 0A 0000000000 Partes de la CPU Requisitos: Procesar instrucción Leer datos Almacenar Temporalmente los datos ALU – FPU Almacenar Resultados Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) 1101110111 Load (7h) 4 5 Arquitectura de Computadores 0000001001 9 ALU Memoria Ejecutar Operaciones y Algoritmos

26 00 01 02 03 04 0110011000 05 0000011000 06 0001111000 07 0000000100 08 1111000000 09 0000000101 0A 0000000000 1110000000 MOVE(0Ah) R.Mitnik 26 1110001010 1100011001 ADD(09h) Partes de la CPU Ej. programa anterior. LOAD (07h) ADD (09h) MOVE(0Ah) GOTO(08h) Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) 1101110111 LOAD (07h) 4 5 ALU 9 Requisitos Instruction Pointer Mecanismos de Salto Arquitectura de Computadores 9 GOTO(08h) 0000001001 Control de Flujo Memoria

27 R.Mitnik 27 00LOAD (07h) 01ADD(09h) 02MOVE(0Ah) 03GOTO(08h) 04 0110011000 05 0000011000 06 0001111000 07 0000000100 08 1111000000 09 0000000101 0A 0000000000 Partes de la CPU Ej. implementación Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) memoria muxmux ALUALU 0001111000 registro Circuitos internos Requisitos Buses internos. Señales de control. ALU (función) Mux Registros (Load,etc) Contador (Inc, Load,etc) 00000000 contador Arquitectura de Computadores

28 R.Mitnik 28 Partes de la CPU Control & Decode procesa las instrucciones. ROM Espacio de Direccionamiento determina cantidad de instrucciones Las salidas son señales de control para ejecutar una instrucción. Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Control & Decode Instrucción de k bits n señales de control para la instrucción 2 k palabras n bits por palabra Arquitectura de Computadores

29 R.Mitnik 29 Partes de la CPU Registros de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Arquitectura de Computadores

30 R.Mitnik 30 Registros de la CPU Un procesador incluye: registros visibles para el usuario registros de control/estado. Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) – Partes de la CPU Registros Visibles. Pueden referenciarse en las instrucciones. Se clasifican en: Uso general. Datos. Direcciones. Códigos de Condición Arquitectura de Computadores

31 R.Mitnik 31 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. Arquitectura de Computadores

32 R.Mitnik 32 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. Arquitectura de Computadores

33 R.Mitnik 33 Registros de la CPU 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 Arquitectura de Computadores

34 R.Mitnik 34 Registros de la CPU 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 Arquitectura de Computadores

35 R.Mitnik 35 Registros de la CPU 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 Arquitectura de Computadores

36 R.Mitnik 36 00LOAD (07) 01ADD(09) 02GOTO(0A) 03 1110000000 04 0110011000 05 0000011000 06 0001111000 07 0000000100 08 1111000000 09 0000000101 0A 0000000000 Partes de la CPU Ej. Implementación modificado Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) memoria muxmux ALUALU 0001111000 registro 00000000 contador IR Control & Decode Señales de Control Arquitectura de Computadores

37 R.Mitnik 37 Partes de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Partes de la CPU. Registros Program Counter Instruction Register Uso general ALU FPU Control & Decode Buses Circuitería Arquitectura de Computadores

38 R.Mitnik 38 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 Arquitectura de Computadores Resumen