PDF de programación - Unidad II: Estructura y funcionamiento de la CPU

Unidad II: Estructura y funcionamiento de la CPU

2.1 Organización del procesador

Un procesador, incluye tanto registros visibles por el usuario como registros de

control/estado. Los registros visibles por el usuario pueden ser de uso general o

tener una utilidad especial, mientras que los registros de control y estado se usan

para controlar el funcionamiento del procesador, un claro ejemplo es el contador

de programa.



Los procesadores utilizan la segmentación de instrucciones para acelerar la

ejecución. La segmentación de cauce se puede dividir en ciclo de instrucción en

varias etapas separadas que operan secuencialmente, tales como la captación de

instrucción, decodificación de instrucción, cálculo de direcciones de operando,

ejecución de instrucción y estructura del operando resultado.



2.2 Estructura de registros

El Registro está organizado en una estructura jerárquica compuesta por subárboles con

sus respectivas claves, subclaves y entradas.

El contenido del Registro puede variar considerablemente de un equipo a otro, en función

de los dispositivos, servicios y programas instalados en cada equipo.

Las claves pueden contener subclaves que, a su vez, pueden contener otras subclaves.

Aunque la mayor parte de la información del Registro se almacena en disco y se

considera permanente, algunos datos almacenados en claves volátiles se sobrescriben

cada vez que se inicia el sistema operativo.



2.2.1 Registros visibles para el usuario

Minimizan el acceso entre el microprocesador y cpu, debido a que se encuentran

dentro del CPU, son manipulables por lenguaje de máquina. Aquí tenemos los 2

principales:

1) Registros de Datos. (Manipulables a bajo nivel).

2) Registro de Direcciones (Manipulables a bajo nivel).

• Registro de índice.

Sirve para direccionamiento, es similar al “PC”, pero tiene un valor base de

autoincremento: Ejemplo: Base 3  3, 6, 9…n, n+1; que se irá sumando para

obtener una dirección más efectiva.

2.2.2 Registros de control y de estados

Hay diversos registros del procesador que se emplean para controlar su

funcionamiento. La mayoría de ellos, en la mayor parte de las máquinas, no son

visibles por el usuario. Algunos de ellos pueden ser visibles por ciertas

instrucciones máquina ejecutadas en un modo de controlo de sistema operativo.

Naturalmente, máquinas diferentes tendrán distintas organizaciones de registros y

usarán distinta terminología. A continuación se presenta una lista razonablemente

completa de tipos de registros, con una breve descripción.

Son esenciales cuatro registros para la ejecución de una instrucción:

 Contador de programa (Program Counter, PC): contiene la dirección

de la instrucción a captar.

 Registro de

instrucción (lnstruction Register,

IR): contiene

la

instrucción captada más recientemente.

 Registro de dirección de memoria (Memory Address Register, MAR):

contiene la dirección de una posición de memoria.

 Registro intermedio de memoria (Memory Buffer Register, MBR):

contiene la palabra de datos a escribir en memoria o la palabra leída

más recientemente.

No todos los procesadores tienen registros internos designados como MAR y

MBR, pero es necesario algún mecanismo de almacenamiento intermedio

equivalente mediante el cual se dé salida a los bits que van a ser transferidos al

bus del sistema y se almacenen temporalmente los bits leídos del bus de datos.

Típicamente, el procesador actualiza PC después de cada captación de

instrucción de manera que siempre apunta a la siguiente instrucción a ejecutar.

Una instrucción de bifurcación o salto también modificará el contenido de PC. La

instrucción captada se carga en IR, donde son analizados el código de operación y

los campos de operando. Se intercambian datos con la memoria por medio de

MAR y de MBR. En un sistema con organización de bus, MAR se conecta

directamente al bus de direcciones, y MBR directamente al bus de datos. Los

registros visibles por el usuario repetidamente intercambian datos con MBR.

Los cuatro registros que se acaban de mencionar se usan para la transferencia de

datos entre el procesador y la memoria. Dentro del procesador, los datos tienen

que ofrecerse a la ALU para su procesamiento.

La ALU puede tener acceso directo a MBR y a los registros visibles por el usuario.

Como alternativa, puede haber registros intennedios adicionales en tomo a la ALU;

estos registros sirven como registros de entrada y salida de la ALU e intercambian

datos con MBR y los registros visibles por el usuario.



2.2.3 Ejemplos de organización de registros de CPU

reales

En algún diseño concreto de procesador es posible encontrar otros registros

relativos a estado y control. Puede existir un puntero a un bloque de memoria que

contenga información de estado adicional (por ejemplo, bloques de control de

procesos). En las máquinas que usan interrupciones vectorizadas puede existir un

registro de vector de interrupción. Si se utiliza una pila para llevar a cabo ciertas

funciones (por ejemplo, llamada a subrutina), se necesita un puntero de pila del

sistema. En un sistema de memoria virtual se usa un puntero a la tabla de

páginas. Por último, pueden emplearse registros para el control de operaciones de

E/S.

En el diseño de la organización de los registros de control y estado entran en

juego varios factores.

Una cuestión primordial es el soporte del sistema operativo. Algunos tipos de

información de control son de utilidad específica para el sistema operativo. Si el

diseñador del procesador posee una comprensión funcional del sistema operativo

que se va a utilizar, la organización de los registros puede adaptarse hasta cierto

punto a ese sistema operativo.

Otra decisión importante en el diseño es la distribución de información de control

entre registros y memoria. Es frecuente dedicar los primeros (más bajos) pocos

cientos o miles de palabras de memoria para fines de control. El diseñador debe

decidir cuánta información de control debiera estar en registros y cuánta en

memoria. Se presenta el compromiso habitual entre coste y velocidad.



2.3 El ciclo de instrucción

2.3.1 Ciclo Fetch-Decode-Execute

Un ciclo de

instrucción (también

llamado ciclo de fetch-and-execute o ciclo

de fetch-decode-execute en inglés) es el período que tarda la unidad central de

proceso (CPU) en ejecutar una instrucción delenguaje máquina.

Comprende una secuencia de acciones determinada que debe llevar a cabo la

CPU para ejecutar cada instrucción en un programa. Cada instrucción del juego de

instrucciones de una CPU puede requerir diferente número de ciclos de instrucción

para su ejecución. Un ciclo de instrucción está formado por uno o más ciclos

máquina.

Para que cualquier sistema de proceso de datos basado en microprocesador (por

ejemplo un ordenador) o microcontrolador (por ejemplo un reproductor de MP3)

realice una tarea (programa) primero debe buscar cada instrucción en la memoria

principal y luego ejecutarla.



2.3.2 Segmentación de instrucciones

2.3.3 Conjunto de

instrucciones: Características y

funciones

La segmentación de instrucciones es similar al uso de una cadena de montaje en

una fábrica de manufacturación. En las cadenas de montaje, el producto pasa a

través de varias etapas de producción antes de tener el producto terminado. Cada

etapa o segmento de la cadena está especializada en un área específica de la

línea de producción y lleva a cabo siempre la misma actividad. Esta tecnología es

aplicada en el diseño de procesadores eficientes.

A estos procesadores se les conoce como pipeline processors. Estos están

compuestos por una lista de segmentos lineales y secuenciales en donde cada

segmento lleva a cabo una tarea o un grupo de tareas computacionales. Los datos

que provienen del exterior se introducen en el sistema para ser procesados. La

computadora realiza operaciones con

los datos que

tiene almacenados

en memoria, produce nuevos datos o información para uso externo.

Las arquitecturas y

los conjuntos de

instrucciones se pueden clasificar

considerando los siguientes aspectos:

Almacenamiento de operandos en la CPU: dónde se ubican los operandos aparte

de la memoria.

Número de operandos explícitos por instrucción: cuántos operandos se expresan

en forma explícita en una instrucción típica. Normalmente son 0, 1, 2 y 3.

Posición del operando: ¿Puede cualquier operando estar en memoria?, o deben

estar algunos o todos en los registros internos de la CPU. Cómo se especifica la

dirección de memoria (modos de direccionamiento disponibles).

Operaciones: Qué operaciones están disponibles en el conjunto de instrucciones.

Tipo y tamaño de operandos y cómo se especifican.



2.3.4 Modos de direccionamiento y formatos

El campo de operación de una instrucción especifica la operación que se debe

realizar. Esta debe ser ejecutada sobre algunos datos almacenados en registros

del computador o en palabras de memoria, es decir, sobre los operandos. El modo

de direccionamiento especifica la forma de interpretar la información contenida en

cada campo de operando para localizar, en base a esta información, el operando.