PDF de programación - El procesador

El procesador


Miquel Albert Orenga
Gerard Enrique Manonellas

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El procesador

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Índice

El procesador


Introducción...............................................................................................

Objetivos.......................................................................................................

1. Organización del procesador..........................................................

2. Ciclo de ejecución de las instrucciones........................................
Segmentación de las instrucciones .............................................

2.1.


3. Registros...............................................................................................
3.1. Registros de propósito general ....................................................
3.2. Registros de instrucción ..............................................................
3.3. Registros de acceso a memoria ...................................................
3.4. Registros de estado y de control .................................................


4. Unidad aritmética y lógica.............................................................

5. Unidad de control..............................................................................
5.1. Microoperaciones ........................................................................
5.1.1.
Tipos de microoperaciones ............................................
5.1.2. Ciclo de ejecución .........................................................
5.2.
Señales de control y temporización ............................................
5.3. Unidad de control cableada ........................................................
5.3.1. Organización de la unidad de control cableada ............
5.4. Unidad de control microprogramada .........................................
5.4.1. Microinstrucciones .........................................................
5.4.2. Organización de una unidad de control

5.4.3.

microprogramada ...........................................................
Funcionamiento de la unidad de control
microprogramada ...........................................................

5.5. Comparación: unidad de control microprogramada y

cableada .......................................................................................


6. Computadores CISC y RISC.............................................................

Resumen.......................................................................................................

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Introducción

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El procesador

En este módulo estudiaremos el componente principal de un computador: el
procesador, unidad central de proceso o CPU (siglas de la expresión inglesa
central processing unit).

La función principal que tiene es procesar los datos y transferirlos a los otros
elementos del computador. Estas tareas se llevan a cabo mediante la ejecución
de instrucciones. Por este motivo, el objetivo principal a la hora de diseñar un
procesador es conseguir que las instrucciones se ejecuten de la manera más
eficiente posible.

En este módulo nos centraremos en analizar los elementos principales del pro-
cesador desde el punto de vista funcional y no entraremos a analizar los as-
pectos relacionados con la mejora de rendimiento.

Los elementos básicos del procesador que estudiaremos son los siguientes:

• Conjunto de registros.
• Unidad aritmética y lógica.
• Unidad de control.

Del conjunto de registros describiremos la función principal y el tipo de in-
formación que pueden almacenar.

De la unidad aritmética y lógica (ALU) veremos la función principal y el tipo
de datos con los que se trabaja habitualmente. No entraremos en más detalle
porque las operaciones aritméticas y lógicas ya se han estudiado ampliamente
en asignaturas previas de estos estudios.

Finalmente, haremos un estudio detallado de la unidad de control en el que
veremos que esta es el elemento clave para el funcionamiento correcto del
procesador y la ejecución de las instrucciones.

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Objetivos

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El procesador

Con el estudio de este módulo se pretende que el estudiante alcance los obje-
tivos siguientes:

1. Entender la organización de un procesador en lo relativo a las unidades

funcionales que lo componen: registros, ALU y unidad de control.

2. Entender cómo ejecuta una instrucción un procesador.

3. Conocer la organización del conjunto de registros del procesador.

4. Ver los conceptos básicos relacionados con la ALU.

5. Entender el funcionamiento de la unidad de control del procesador.

6. Conocer las ideas clave para diseñar una unidad de control.

7. Saber las diferencias principales entre computadores RISC y CISC.

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El procesador

1. Organización del procesador

La función principal de un procesador es ejecutar instrucciones y la organiza-
ción que tiene viene condicionada por las tareas que debe realizar y por cómo
debe hacerlo.

Los procesadores están diseñados y operan según una señal de sincronización.
Esta señal, conocida como señal de reloj, es una señal en forma de onda cuadra-
da periódica con una determinada frecuencia. Todas las operaciones hechas
por el procesador las gobierna esta señal de reloj: un ciclo de reloj determina
la unidad básica de tiempo, es decir, la duración mínima de una operación
del procesador.

Frecuencia de la señal de
reloj

La frecuencia de la señal de re-
loj se define como el núme-
ro de impulsos por unidad de
tiempo, se mide en ciclos por
segundo o hercios (Hz) y de-
termina la velocidad de opera-
ción del procesador.

Para ejecutar una instrucción, son necesarios uno o más ciclos de reloj, depen-
diendo del tipo de instrucción y de los operandos que tenga.

Las prestaciones del procesador no las determina solo la frecuencia de reloj,
sino otras características del procesador, especialmente del diseño del juego de
instrucciones y la capacidad que tiene para ejecutar simultáneamente múlti-
ples instrucciones.

Para ejecutar las instrucciones, todo procesador dispone de tres compo-
nentes principales:

1) Un conjunto￿de￿registros: espacio de almacenamiento temporal de
datos e instrucciones dentro del procesador.

2)￿Unidad￿aritmética￿y￿lógica o ALU1: circuito que hace un conjunto
de operaciones aritméticas y lógicas con los datos almacenados dentro
del procesador.

3)￿Unidad￿de￿control: circuito que controla el funcionamiento de todos
los componentes del procesador. Controla el movimiento de datos e
instrucciones dentro y fuera del procesador y también las operaciones
de la ALU.

La organización básica de los elementos que componen un procesador y el flu-
jo de información entre los diferentes elementos se ve en el esquema siguiente:

(1)ALU son las siglas de la expresión
inglesa arithmetic logic unit.

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Como se observa, aparte de los tres componentes principales, es necesario dis-
poner de un sistema que permita interconectar estos componentes. Este sis-
tema de interconexión es específico para cada procesador. Distinguimos dos
tipos de líneas de interconexión: líneas de control, que permiten gobernar el
procesador, y líneas de datos, que permiten transferir los datos y las instruc-
ciones entre los diferentes componentes del procesador. Este sistema de inter-
conexión tiene que disponer de una interfaz con el bus del sistema.

El término procesador actualmente se puede entender como microprocesador
porque todas las unidades funcionales que forman el procesador se encuentran
dentro de un chip, pero hay que tener presente que, por el aumento de la
capacidad del nivel de integración, dentro de los microprocesadores se pueden
encontrar otras unidades funcionales del computador. Por ejemplo:

• Unidades￿de￿ejecución￿SIMD: unidades especializadas en la ejecución de
instrucciones SIMD (single instruction, multiple data), instrucciones que tra-
bajan con estructuras de datos vectoriales, como por ejemplo instruccio-
nes multimedia.

• Memoria￿caché: prácticamente todos los procesadores modernos incor-
poran dentro del propio chip del procesador algunos niveles de memoria
caché.

• Unidad￿de￿gestión￿de￿memoria o memory￿management￿unit￿(MMU):
gestiona el espacio de direcciones virtuales, traduciendo las direcciones de
memoria virtual a direcciones de memoria física en tiempo de ejecución.
Esta traducción permite proteger el espacio de direcciones de un programa
del espacio de direcciones de otros programas y también permite separar
el espacio de memoria del sistema operativo del espacio de memoria de
los programas de usuario.

• Unidad￿de￿punto￿flotante o floating￿point￿unit￿(FPU): unidad especiali-
zada en hacer operaciones en punto flotante; puede funcionar de manera
autónoma, ya que dispone de un conjunto de registros propio.

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El procesador

2. Ciclo de ejecución de las instrucciones

El ciclo de ejecución es la secuencia de operaciones que se hace para eje-
cutar cada una de las instrucciones. Lo dividimos en cuatro fases prin-
cipales:

1) Lectura de la instrucción.
2) Lectura de los operandos fuente.
3) Ejecución de la instrucción y almacenamiento del operando de des-
tino.
4) Comprobación de interrupciones.

Orden de operaciones

Las fases principales del ciclo de e