PDF de programación - tema 4 - el procesador

Tema 4

EL PROCESADOR

4.1.

Introducción

Un computador es un dispositivo electrónico formado por componentes y subsistemas

digitales que permite el procesamiento de datos.

Desde el punto de vista estructural, el computador se considera dividido en varios ni-
veles organizados jerárquicamente. La Figura 4.1 muestra la organización del computador
según estos niveles. Se distinguen 5 niveles básicos:

Nivel Digital: Se corresponde con la máquina física y engloba todos los circuitos
digitales que constituyen el computador y que han sido estudiados en los capítulos
anteriores.

Nivel Instrucciones Máquina: En este nivel se construyen programas en lenguaje
máquina (secuencias de 0’s y 1’s), que es el lenguaje capaz de entender la CPU.
También se incluye en este nivel la programación en ensamblador. El lenguaje en-
samblador es la notación simbólica del lenguaje máquina.

Nivel Sistema Operativo: Los sistemas operativos son un conjunto de programas
que ayudan al usuario en la explotación del computador, siendo por tanto, una capa
software con la que se rodea el hardware para facilitar su utilización.

Nivel Lenguajes Alto Nivel: El objetivo de este nivel es facilitar al programador
la utilización del computador. Los programas escritos en un leguaje de alto nivel
deberán pasar por un proceso intermedio de traducción, denominado compilación,
antes de ejecutarse. El objetivo de la compilación es traducir el lenguaje de alto
nivel a un lenguaje de bajo nivel que la máquina pueda entender. La figura 4.2
muestra un ejemplo de traducción de un trozo de código codificado en un lenguaje
de alto nivel (lenguaje C) a lenguaje ensamblador para el procesador MIPS y de
lenguaje ensamblador a lenguaje máquina. El programa que traduce el código es-
crito en lenguaje ensamblador al código equivalente en lenguaje máquina se llama
ensamblador.

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TEMA 4. EL PROCESADOR

Figura 4.1: Organización estructural de un computador

Nivel Aplicaciones: Este nivel está formado por paquetes de programas de aplicación
que sirven para resolver problemas en campos específicos de la ciencia o la gestión.

Centrándonos en el nivel digital, los elementos principales de un computador son: la
unidad de procesamiento central (CPU, Central Processing Unit) o procesador, la memoria
principal, el subsistema de entrada/salida y algunos medios de interconexión de todos estos
componentes como se muestra en la figura 4.3.

La unidad central de procesamiento (CPU): Controla el funcionamiento del compu-
tador y lleva a cabo sus funciones de procesamiento de datos. Frecuentemente se
llama simplemente procesador. Sus principales componentes estructurales son:

• Unidad de control: Controla el funcionamiento de la CPU y, por tanto, del

computador.

• Unidad aritmético-lógica (ALU, Arithmetic Logic Unit): Lleva a cabo las fun-

ciones de procesamiento de datos del computador.

• Registros: Proporcionan almacenamiento interno a la CPU.
• Interconexiones CPU: Proporcionan comunicación entre la unidad de control,

la ALU y los registros.

La memoria principal: Almacena instrucciones y datos.

E/S: Transfiere datos entre el computador y el entorno externo.

Sistema de interconexión: Proporciona la comunicación entre la CPU, la memoria
principal y la E/S.

La tarea de un computador es el procesamiento de datos en base al contenido de las
instrucciones. Ambos elementos (instrucciones y datos) se almacenan en memoria y se
codifican empleando un número especifico de bits. De este modo, la arquitectura de un
computador está diseñada para transferir bloques de información (o múltiplos de blo-
ques) de un determinado tamaño. A cada uno de estos bloques se le denomina palabra y

Lenguaje maquinaLogica digitalSistema operativoLenguajes alto nivelAplicaciones 4.1. INTRODUCCI ÓN

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Figura 4.2: Programa C compilado a lenguaje ensamblador y después ensamblado a len-
guaje máquina

su tamaño, en número de bits, se denomina ancho de palabra. Todos los elementos del
computador (registros, buses, memorias, periféricos, ALUs) están diseñados para transfe-
rir, almacenar o procesar palabras.

El modo de funcionamiento de un computador consiste en la ejecución continua de
instrucciones que operan sobre diferentes datos. El proceso de ejecución de una instrucción
sigue una secuencia de 4 pasos:

1. Lectura o carga de la instrucción: La instrucción se transfiere desde memoria a
uno de los registros internos de la CPU, el denominado registro de instrucción (IR,
Instruction Register).

2. Decodificación de la instrucción: La unidad de control lee el contenido del IR y

swap(int v[], int k){int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;}swap: muli $2, $5,4 add $2, $4,$2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 00000000101000010000000000011000000000001000111000011000001000011000110001100010000000000000000010001100111100100000000000000100101011001111001000000000000000001010110001100010000000000000010000000011111000000000000000001000Binary machinelanguageprogram(for MIPS)C compilerAssemblerAssemblylanguageprogram(for MIPS)High-levellanguageprogram(in C) 4

TEMA 4. EL PROCESADOR

Figura 4.3: El computador: unidades funcionales básicas

decodifica la operación a ejecutar.

3. Ejecución de la instrucción: Se activan las señales necesarias para la ejecución de la

operación.

4. Determinación de la siguiente instrucción: Se asume que las instrucciones se eje-
cutarán de forma ordenada, es decir, después de la ejecución de una instrucción
concreta se carga y se ejecuta la siguiente instrucción contigua en memoria. Sin em-
bargo, en ciertas situaciones se realizan saltos, pasando a ejecutarse otra instrucción
situada en una posición de memoria diferente. La CPU lleva un control de la direc-
ción en memoria de la siguiente instrucción por medio del empleo de un registro de
la CPU especial al que se denomina contador de programa (PC, Program Counter).
Después de traer una instrucción, el contenido del PC se actualiza para apuntar a
la siguiente instrucción de la secuencia.

4.2. El repertorio de instrucciones

El funcionamiento de la CPU está determinado por las instrucciones máquina que
ejecuta. Al conjunto de instrucciones distintas que puede ejecutar la CPU se le denomina
repertorio de instrucciones de la CPU. El repertorio de instrucciones define las funciones
que puede realizar la CPU y tiene, por tanto, un efecto significativo sobre la implemen-
tación de la misma.

Cada instrucción máquina debe contener la información que necesita la CPU para su

ejecución. Los elementos constitutivos de una instrucción máquina son:

REGISTROSALUUNIDAD DECONTROLPCIRPROCESADORInstruccionesDatosUNIDAD DEMEMORIAENTRADASALIDA 4.2. EL REPERTORIO DE INSTRUCCIONES

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Figura 4.4: Un formato de instrucciones sencillo

Código de operación: Especifica la operación a realizar (suma, E/S, etc.). La opera-
ción se indica mediante un código binario.

Referencia a operandos fuente: La operación puede implicar a uno o más operandos
fuente, es decir, operandos que son entradas para la instrucción.

Referencia al operando resultado: La operación puede producir un resultado.

Referencia a la siguiente instrucción: En la mayoría de los casos la siguiente ins-
trucción sigue inmediatamente a la instrucción en ejecución. En tales casos no hay
referencia explícita a la siguiente instrucción. Cuando sea necesaria una referencia
explícita, debe suministrarse la dirección de memoria.

Los operandos fuente y resultado pueden estar en algunas de las siguientes áreas:

Memoria: Como en las referencias a instrucciones siguientes, debe indicarse la di-
rección de memoria.

Registro de la CPU: Salvo raras excepciones, una CPU contiene uno o más registros
que pueden ser referenciados por instrucciones máquina. Si existe más de uno, cada
registro tendrá asignado un número único, y la instrucción debe contener el número
del registro deseado.

Dispositivo de E/S: La instrucción debe especificar el módulo y dispositivo de E/S
para la operación. En el caso de E/S asignadas en memoria, se dará otra dirección
de memoria.

Dentro del computador, cada instrucción se representa por una secuencia de bits. Esta
secuencia se puede interpretar dividida en campos, correspondientes cada uno de ellos a
los elementos constitutivos de la instrucción. La descripción de la instrucción en campos
y bits se denomina formato de instrucción. La figura 4.4 muestra un ejemplo sencillo de
formato de instrucción. En la mayoría de los repertorios de instrucciones se emplea más
de un formato. Durante su ejecución, la instrucción se escribe en el registro de instrucción
(IR) de la CPU. La CPU debe ser capaz de extraer los datos de los distintos campos de
la instrucción para realizar la operación requerida.

Los aspectos más importantes a tener en cuenta en el diseño del repertorio de instruc-

ciones son:

6 bits16 bits6 bits4 bitsRef. a operandoRef. a operandoCodop 6

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Repertorio de operaciones: Cuántas y qué operaciones considerar, y cuán complejas
deben ser.

Tipos de datos: Los distintos tipos de datos con los que se efectúan operaciones.

Formatos de instrucciones: Longitud de la instrucción (en bits), tamaño de los dis-
tintos campos, etc.

Registros: Número de registros de la CPU que pueden ser referenciados por instruc-
ciones, y su uso.

Direccionamiento: El modo o modos de direccionamiento mediante los cuales puede
especificarse la dirección de un operando o instrucción.

4.2.1. Modelo de ejecución

El modelo de ejecución especifica el dispositivo (memoria, registro, etc.) que almacena
los operandos de las instrucciones. Una arquitectura no está restringida a un único modelo,
sino que suele dar soporte a varios. La elección de un modelo u otro es fuertemente
dependiente de la arquitectura del sistema. Por ejemplo, una uni