Objetivos. Objetivos. Arquitectura de Computadores. R.Mitnik


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

3 Índice Capítulo 3 : Arquitecturas 3. Arquitecturas 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) 3

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

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. 5

6 Índice Capítulo 3 : Arquitecturas 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) 6

7 Introducción Capítulo 3 : Arquitecturas von Neumann John von Neumann (se pronuncia «fon noiman») (28 de diciembre de de febrero de 1957) Fue un matemático húngaroestadounidense, 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 7

8 Introducción Capítulo 3 : Arquitecturas von Neumann 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) 8

9 Arquitectura de von Neumann Capítulo 3 : Arquitecturas 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. 9 Memoria CPU Input/Output

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

11 Índice Capítulo 3 : Arquitecturas 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) 11

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. 12

13 Arquitectura Harvard Capítulo 3 : Arquitecturas - Comparación 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 13

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 14

15 Índice Capítulo 3 : Arquitecturas 3.1 von Neumann 3.2 Harvard 3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos) 15

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

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

18 Sistemas distribuidos Capítulo 3 : Arquitecturas Procesador Procesador Memoria Memoria Procesador Memoria I/O I/O I/O Red de interconexión 18

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

20 Sistemas distribuidos Capítulo 3 : Arquitecturas 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 20

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. 21

22 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 22

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. 23

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

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27 Partes de la CPU 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) memoria 00 LOAD (07h) 01 ADD(09h) 02 MOVE(0Ah) 03 GOTO(08h) A contador m u x registro A L U

28 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. Instrucción de k bits Control & Decode 2k palabras n bits por palabra n señales de control para la instrucción 28

29 Partes de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Registros de la CPU 29

30 Registros de la CPU 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 30

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. 31

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. 32

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 33

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 34

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 35

36 Partes de la CPU Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU) Ej. Implementación modificado memoria 00 LOAD (07) 01 ADD(09) 02 GOTO(0A) A contador m u x A L U IR registro 36 Control & Decode Señales de Control

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 37

38 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 38

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