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TEMA 3

TEMA 3 : COMPONENTES , ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LA CPU .

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ÍNDICE: 1.- INTRODUCCIÓN . 2.- REGISTRO E INSTRUCCIONES DE LA CPU . 3.- TIPOS DE INSTRUCCIONES. 3.1.- INSTRUCCIONES DE ARITMÉTICA Y LÓGICA . 3.2.- INSTRUCCIONES DE MOVIMIENTOS DE DATOS . 3.3.- OPERACIONES DE DATOS EN BLOQUES . 3.4.- INSTRUCCIONES DE ENTRADA – SALIDA . 4.- COMUNICACIONES DE LA CPU . 5.- ESTRUCTURAS DE INTERCONEXIÓN EN LA CPU . 6.- TRANSFERENCIA DE DATOS DE E/S . 7.- UNIDAD ARITMÉTICO LÓGICA . 7.1.- ESTRUCTURA DE LA ALU . 8..- UNIDAD DE CONTROL . 8.1.- OPERACIONES ELEMENTALES DE LA UNIDAD DE CONTROL . 9.- BUSES . 9.1.- TIPOS DE BUSES POR TECNOLOGÍA . 9.1.1.- BUSES DE DIRECCIÓN . 9.1.2.- BUS DE DATOS . 9.1.3.- BUS DE CONTROL . 9.2.- TIPOS DE BUSES POR EL MODO DE TRANSMITIR LA INFORMACIÓN. 9.2.1.- BUS UNIDIRECCIONAL . 9.2.2.- BUS BIDIRECCIONAL. 9.2.3.- BUS SERIE . 9.2.4.- BUS PARALELO. 9.3.-BUSES SÍNCRONOS Y ASÍNCRONOS . 9.4.-POR LA ESTRUCTURACIÓN DE LOS BUSES .

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1.-INTRODUCCIÓN: La Unidad de proceso central es la responsable de la interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la memoria principal se realizan a través de 2 canales/buses funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos. Para introducir en la memoria, una instrucción especifica, la CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la instrucción que está en esa dirección. Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar la operación. Esta parte se llama código de operación de la instrucción. La información restante se utiliza para determinar la o las localidades de los datos con los cuales se va a efectuar la operación. La acción de leer una instrucción en la CPU y prepararla para su ejecución se denomina ciclo de búsqueda. Para completar una instrucción la CPU decodifica el código de operación, genera las señales de control que se necesitan para introducir los operandos requeridos y controla la ejecución de la instrucción. Por ejemplo, suponiendo que la operación especificada consiste en sumar 2 números requeridos en 2 registros de la CPU y almacenar el resultado en un tercer registro de la CPU. Para efectuar esta instrucción, la CPU identificará los 2 registros y generará las señales de control adecuados para conectar los registros a la unidad de Aritmética y Lógica (ULA). La CPU también haría que la ULA funcione como sumadora y dirija la salida hacia el tercer registro. El proceso de realización que especifica una función se denomina ciclo de ejecución : Lo que hace es seguir los siguientes pasos:    

Decodificación de la instrucción. Lectura de operandos de la memoria principal. Ejecución. Almacén de resultados en memoria.

Los nombres ciclos de búsqueda y ciclos de ejecución derivan de la naturaleza cíclica de la operación de la computadora una vez que esta empieza a funcionar repite los ciclos de búsqueda y ejecución de manera continua. Para hacer referencia a cada ciclo suele utilizar el termino ciclo de máquina. La CPU puede dividirse funcionalmente en 3 subunidades, la unidad de control, dedicada a los ciclos de búsqueda y ejecución, la ULA que desempeña funciones aritméticas como por ejemplo, suma y resta, de lógica por ejemplo AND, OR y un conjunto de registros dedicados al almacenamiento de datos en la CPU y a ciertas funciones de control.

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2.- REGISTRO E INSTRUCCIONES DE LA CPU : La CPU contiene un conjunto de localidades de almacenamiento temporal de datos de alta velocidad llamada registro. Algunos de los registros están dedicados al control, y sólo la unidad de control tiene acceso a ellos. Los registros restantes son los registros de uso general y el programador es el usuario que tiene acceso a ellos. Dentro del conjunto básico de registros de control se deben incluir a los siguientes: 1. 2. 3. 4. 5.

Contador de programa (PC). Registro de direcciones de la memoria (MAR). Registro de datos (RD). Registro de instrucciones (ER). Palabra de estado de programa (PSW).

Contador de Programa (PC): La función del PC consiste en seguir la pista de la instrucción por buscar (capturar) en el siguiente ciclo de máquina, por lo tanto contiene la dirección de la siguiente instrucción por ejecutar. El PC se modificado dentro del ciclo de búsqueda de la instrucción actual mediante la suma de una constante. El número que se agrega al PC es la longitud de una instrucción en palabras. Por lo tanto, si una instrucción tiene una palabra de longitud se agrega 1 al PC, si una instrucción tiene dos palabras de largo se agrega 2, y así sucesivamente. Registro de direcciones de la memoria (MAR): Funciona como registro de enlace entre la CPU y el canal de direcciones. Cuando se logra el acceso a la memoria la dirección es colocada en el MAR por la unidad de control y ahí permanece hasta que se

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completa la transacción. El número de bits que hay en el MAR es igual al del canal de direcciones. La diferencia que existe entre el PC y el MAR es que durante el ciclo de ejecución de una instrucción, el PC y el MAR sirven al mismo fin. Sin embargo, muchas de las instrucciones de la máquina hacen referencia a la memoria y operan con los datos que están en ella. Como la dirección de los datos suele ser diferente de la instrucción siguiente se necesita el MAR. Registro de datos: La función del RD consiste en proporcionar un área de almacenamiento temporal (memoria intermedia, acumulada o buffer) de datos que se intercambian entre la PCU y la memoria. Los datos pueden ser instrucciones (obtenidos en el ciclo de ejecución) o datos del operando (obtenidos en el ciclo de ejecución). Debido a su conexión directa con el canal de datos el RD contiene el mismo número de bit que dicho canal. Registro de instrucciones (ER): Es un registro que conserva el código de operación de la instrucción en todo el ciclo de máquina. El código es empleado por la unidad de control de la CPU para generar las señales apropiadas que controla la ejecución de la instrucción. La longitud del ER es la longitud en bits del código de operación. Palabra de estado de programa (PSW): La palabra de estado o condición de programa almacena información pertinente sobre el programa que esté ejecutándose. Por ejemplo , al completarse una función de la unidad aritmética lógica se modifica un conjunto de bits llamados códigos (o señales de condición). Estos bits especifican si el resultado de una operación aritmética fue 0 o negativo o si el resultado se desbordó. El programa puede verificar estos bits en las instrucciones siguientes , cambiar en forma condicional su flujo de control según su valor . Además el PSW contiene bits que hacen posible que la computadora responda a solicitudes de servicio asincrónicas generadas por dispositivos de Entrada-Salida, o condiciones de error interno. Estas señales se denominan interrupciones. Los registros restantes que se pueden encontrar en un microprocesador son de uso general. Estos se utilizan para almacenar información en forma temporal. También retienen operandos que participan en operaciones de la ULA. Algunas veces el conjunto de instrucciones de la computadora y el esquema de direccionamiento de la arquitectura restringe el uso de alguno de estos registros. Si bien en todas las máquinas la información contenida en el registro puede manipularse como datos ordinarios durante la ejecución de algunas instrucciones los datos se utilizan en forma explícita para decidir una dirección de la memoria. La ventaja de usar registros para retener datos de operaciones es la velocidad.

3.- TIPO DE INSTRUCCIONES : Las instrucciones pueden clasificarse en 4 categorías:

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1. 2. 3. 4.

Instrucciones de aritmética y lógica. Instrucciones de movimientos de datos. Operaciones de datos en bloques. Instrucciones de Entrada - Salida.

3.1.- INSTRUCCIONES DE ARITMÉTICA Y LÓGICA: Entre ellas se encuentran operaciones binarias, las cuales requieren dos operandos y producen un resultado único. La suma, la resta, la multiplicación y división, son operaciones estándar en la mayor parte de las máquinas con excepción de algunas mini-computadoras y microprocesadores. Las operaciones de lógica incluida en el conjunto de instrucciones son las operaciones AND, NAND, NOR, XAND, XOR. También dentro de las instrucciones de aritmética y lógica se encuentran las operaciones de desplazamiento y las de rotación.

3.2.- INSTRUCCIONES DE MOVIMIENTOS DE DATOS: Esta instrucción da por resultados la copia de datos desde una localidad de operando a otra; además del código de operación, estas instrucciones requieren información que identifique los operandos fuentes y destinos. En una computadora de uso general, los datos se pueden mover de: 1. 2. 3. 4.

Registro a registro. Registro a memoria. Memoria a registro. Memoria a memoria.

3.3.- OPERACIONES DE DATOS EN BLOQUES: Son aquellas que se efectúan con un conjunto de operandos y no con un solo operando. También dentro de esta instrucción se encuentra la de control del programa. Esto hace posible que un programa se adapte a la secuencia inherente al ciclo de máquina de la computadora. En otras palabras, se pueden pasar por alto secciones de instrucciones como resultado de la activación de un código de condiciones o como resultado directo del diseño del programa.

3.4.- INSTRUCCIONES DE ENTRADA – SALIDA: Desde el punto de vista de la programación para el acceso a la memoria o a un periférico simplemente se requiere el mismo conjunto de instrucciones. Estos sistemas se denominan sistemas de Entrada - Salida mapeados por memoria.

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La programación de un dispositivo en estos sistemas requiere el conocimiento de este dispositivo y sus características, aunque no se necesitan instrucciones especiales. El dispositivo se caracteriza como un conjunto de localidades de la memoria que se dividen en dos subcategorias: un conjunto de registro de estado de control y un registro de información. Registro de estado y control. Estos suelen contener información acerca del estado: inactivo, ocupado, etc. En estos registros también se almacena información de control, como por ejemplo el tipo de paridad y la velocidad de transmisión de los datos. La información contenida en los registros de estado y control se utiliza principalmente para proporcionar una imagen global del hardware cuando esté en el programa Registro de información: Estos constituyen una memoria intermedia para la información que se transfiere entre la CPU y el periférico. En el caso de un dispositivo se transfieren datos sobre la base de carácter por carácter y suele haber sólo dos registros. Uno que retiene datos de la CPU al dispositivo y otro que utilice datos del dispositivo a la CPU. Si la Entrada - Salida programada se realiza en un dispositivo unidireccional (sólo transmite o sólo recibe) entonces únicamente se necesitara un registro.

4.- COMUNICACIONES DE LA CPU :     

Memoria a CPU. CPU a Memoria . CPU a E/S . E/S a CPU . E/s a o desde Memoria.

5.- ESTRUCTURAS DE INTERCONEXIÓN EN LA CPU : Existen cuatro tipos diferenciados : 1. Arquitectura de E/S a través de la CPU : La CPU y los módulos de E/S comparten al misma vía de acceso a la memoria , lo que obliga a la CPU a parar momentáneamente sus cálculos ,se están produciendo transferencias de datos. 2. Arquitectura de E/S a través de la Memoria : Es posible el acceso directo a la memoria principal de dos o más módulos de forma independiente . 3. Arquitectura de E/S mediante un conmutador central : Existe un mecanismo de distribución centralizado al cual se unen todos los módulos .

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4. Arquitectura con bus de E/S : Hay un conjunto de líneas de comunicación que se comparten por todos los módulos .Esta arquitectura se ha convertido en el estándar de interconexión.

6.- TRANSFERENCIA DE DATOS DE E/S : Existen cuatro clases principales de técnicas : 1-. E/S controlada por programa : El procesador supervisa todas las transferencias de Entrada - Salida a través de la iniciación de órdenes y la verificación del estado del dispositivo. Esta técnica se emplea en aplicaciones especializadas y diagnósticos de dispositivos. La Entrada - Salida por programa utiliza la interfaz de hardware en forma más simple pero no aprovecha eficientemente los recursos. 2-. E/S por interrupciones : Salida por interrupciones: las funciones son iniciadas bajo el control del programa pero la sincronización se maneja por medio de solicitudes de interrupción al hardware y el dispositivo asociado interrumpe el servicio de rutinas. Se utilizan en aplicaciones de baja o media velocidad en un entorno especializado o de multiprocesamiento. La Entrada - Salida activada por interrupciones utiliza hardware de complejidad relativamente baja y permite el diseño de software eficiente . 3-. Acceso directo a memoria (DMA) : Tanto en la E/S programada o por interrupciones la CPU es responsable de extraer los datos de la memoria central para el output o almacenar los datos en la memoria central para el input. La alternativa a esto se conoce como Acceso Directo a Memoria (DMA). En este modo, el módulo de E/S y la memoria central, intercambian datos directamente, sin involucrar a la CPU. El módulo de DMA es capaz de imitar a la CPU y de relevarla en el control del sistema para transferir los datos con la memoria por el bus de sistema. Cuando la CPU desea leer o escribir un bloque de datos, emite un comando al módulo de DMA, enviándole la siguiente información: si el pedido es una escritura o una lectura, la dirección del dispositivo de E/S involucrado, la ubicación en memoria desde donde empezar a leer o escribir y el número de palabras a su escrita o leídas. El controlador no escribe la información que recibe del dispositivo directamente a memoria principal . La explicación es que la información al controlador le llega de forma continua del dispositivo y si no hubiese buffer de controlador y ese intentara llevar la información a memoria podría encontrarse con el bus de comunicación ocupado , por lo que tendría que esperar , y la única forma de retener esta información y que no sea machacada por la nueva información procedente de dispositivos , es mediante un buffer en el controlador . La CPU continúa con otro trabajo. Ha delegado esta operación de E/S al módulo de DMA. Cuando la transferencia termina el módulo DMA manda una señal de interrupción al procesador. La CPU sólo opera al comienzo y al final de la transferencia.. El módulo de DMA utiliza el bus sólo cuando la CPU no lo necesita o debe forzarla a que suspenda temporalmente su operación. Esta última operación se la conoce como Robo de Ciclo (DMA roba un ciclo del bus). Esto no es una interrupción ya que la CPU no tiene que guardar el contexto.

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4-. E/S mapeada por direcciones : La transferencia de datos se realiza entre la CPU y la región lógica del espacio direccionable del programa, que en realidad es parte de un dispositivo de Entrada – Salida, tal como una pantalla de imágenes o un canal de direcciones en lugar de la memoria principal. Esta técnica permite tanto la manipulación del programa de datos como las transferencias directas entre el dispositivo de Entrada – Salida y el almacenamiento final de la información. La Entrada – Salida mapeada por direcciones es un mecanismo eficiente y transparente que se utiliza con dispositivos estructurados, no es una extensión del DMA sino una técnica alternativa para ciertas aplicaciones.

7.- UNIDAD ARITMÉTICO LÓGICA (ALU) : Es la encargada de tratar los datos ,ejecutando las operaciones requeridas por el programa en curso. Las operaciones que es capaz de ejecutar directamente son muy elementales , ya que la mayoría de las ALU’s basan este componente en un circuito sumador-restador . Por esto las operaciones más complejas se descomponen en operaciones de suma y/o resta haciendo su ejecución más rápida. Se necesita un dispositivo capaz de realizar las operaciones aritmético o lógicas: a esta unidad funcional se la conoce como operador . Concepto de Operador : Los operadores se pueden clasificar según: Ámbito de aplicación:  

Generales : Aquellos que pueden realizar todo tipo de operaciones. Especializados : Realizan un sólo tipo de operación (suma,resta,coma flotante ....)

Realización del operador :  

Combinacionales : El operador es un circuito digital combinacional , tiene dos entradas y una salida . Secuenciales :Requiere varias fases para realizar una operación debiendo contar con elementos de memoria para transmitir la información entre fases.

Número de operandos del operador :  

Operador Monódico: Emplea un sólo operando para dar la solución. Operador Diádico : Emplea dos operandos para dar la solución .

Paralelismo del operador : 

Operador serie : Realiza la operación sobre cada dígito de o de los operandos .

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Operador paralelo: Realiza la operación sobre todos los dígitos de los operandos al mismo tiempo.

Operación realizada por el operador :   

Desplazamientos lógicos , circulares y aritméticos . Operaciones lógicas (AND,OR ,NOT,XOR) Operaciones aritméticas (suma, resta , división , multiplicación)

7.1.- ESTRUCTURA DE LA ALU : Es la encargada de llevar a cabo las funciones de procesamiento de datos del computador. La Unidad Aritmético - Lógica (ALU) es la unidad encargada de realizar todas las operaciones con los 0 y con los 1. Las únicas operaciones que se pueden realizar con ceros y unos son: aritméticas (suma, resta, multiplicación, división, etc.) y lógicas (AND, OR, NOT, etc.). El único procesamiento de información que realiza el ordenador se realiza en la CPU. En esta sección de la CPU se realizan las operaciones aritméticas, lógicas, de desplazamiento, de rotación de incremento... Uno de los operandos que intervienen en la operación a efectuar por la ALU, procede de un registro de 8bits, llamado Acumulador. El otro operando llega desde cualquier parte del sistema y se carga en un registro auxiliar. En los microprocesadores de 8bits, el resultado de la operación de la ALU se deposita en el Acumulador, que, por este motivo, se emplea doblemente. Un registro especial, denominado Registro de Estado, dispone de una serie de bits que actúan como señalizadores de alguna característica especiales que se haya producto en la última operación efectuada por la ALU. Realiza las operaciones:  Aritméticas: suma y resta.  Comparación.  Lógicas: and, or y xor. El registro de estado se verá afectado por la A.L.U. y tiene:    

Cero (Z). Se pone a 1 cuando el resultado de la última operación en la Unidad Aritmético Lógica ha sido cero. Acarreo (C). Se pone a 1 cuando al sumar los 2 bits de mayor peso de los operandos se produce acarreo. Interrupción (I). Se pone a 1 para habilitar las interrupciones. Overflow (O). Se pone a 1 cuando el resultado de la última operación realizada en la Unidad Aritmético Lógica es mayor que el mayor número representable con el tamaño de la palabra que estamos trabajando.

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Registros: Proporcionan almacenamiento interno a la CPU. Interconexiones CPU: Son mecanismos que proporcionan comunicación entre la unidad de control, la ALU y los registros.

8.-UNIDAD DE CONTROL : Controla el funcionamiento de la CPU y por tanto del computador. La Unidad de Control (UC) se encarga de coordinar todos los elementos de un ordenador. Se encarga de generar las señales necesarias para que cada cosa funcione como debe. Además se encarga de ir generando las señales en el orden adecuado: primero esto, luego, esto otro, en tercer lugar una cosa más,...Es decir, coordina y sincroniza todos los elementos de un ordenador. Realiza las siguientes operaciones:    

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