Estructura y Tecnología de Computadores (ITIG) Luis Rincón Córcoles Ángel Serrano Sánchez de León

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1 Estructura y Tecnología de Computadores (ITIG) Luis Rincón Córcoles Ángel Serrano Sánchez de León Programa. Introducción. 2. Elementos de almacenamiento. 3. Elementos de proceso. 4. Elementos de interconexión. 5. Unidad Central de Proceso. Ciclo de instrucción y ejecución de programas. 6. Entrada / Salida. 7. Bibliografía. Conceptos básicos: arquitectura de von Neumann, unidades funcionales (memoria, unidad central de proceso = unidad de control + camino de datos [unidad aritméticológica + registros, etc.], unidad de entrada/salida, buses), registros de propósito específico/general, registros visibles/transparentes, memoria, buffer triestado, tamaño de palabra, tiempo de acceso, tiempo de ciclo, enlaces dedicados/buses, bus del sistema (datos, dirección, control), programa, instrucción, ciclo de instrucción, gestión entrada/salida (por programa, interrupciones, DMA). 2

2 . Introducción Unidades funcionales de un computador (Arquitectura de von Neumann): Tipos de elementos en el computador: Elementos de almacenamiento. Elementos de proceso. Elementos de interconexión Elementos de almacenamiento Tipos de elementos de almacenamiento: Biestables (tema 7). Registros (tema 8). Memoria (temas 2 a 22). Biestable: almacena un bit. Consideraremos biestables D síncronos por flanco. Registro: colección de n biestables que funcionan al unísono. Usaremos registros con las siguientes características: Formados por biestables D síncronos por flanco (sólo usamos la salida activa por nivel alto). Registro Entrada Entrada paralelo salida paralelo. n bits La señal de carga es el reloj. Control n- Salida 4 2

3 Tipos de registros en un computador Según el propósito: Registros de propósito específico: se utilizan para una tarea determinada. Están asociados a las unidades funcionales y cumplen funciones específicas: contador de programa (PC), registro de instrucciones (IR), etc. Registros de propósito general: se utilizan para almacenar datos o direcciones de forma flexible. Agrupados en bancos de registros. Según el programador: Registros visibles: pueden usarse directamente por el programador de bajo nivel, que conoce su existencia. Sirven como operandos implícitos o explícitos en instrucciones de máquina. Registros transparentes: el programador desconoce su existencia, por tanto no puede usarlos. La unidad de control los utiliza para sus propios propósitos. 5 Memoria Formada por gran cantidad de elementos de almacenamiento de bit. Tipos de memorias: RAM: volátiles, acceso aleatorio (temas 2 a 22). ROM: no volátiles, sólo lectura (tema 6). Operaciones con memorias: Lectura. Escritura. Refresco (sólo en memorias dinámicas). Palabra de memoria: número de bits que se tratan simultáneamente en cada acceso a memoria. Tiempo de acceso a memoria: tiempo transcurrido desde que se solicita una operación a la memoria hasta que se completa. La lectura y la escritura pueden tener diferentes duraciones Tiempo de ciclo (ciclo de memoria): tiempo desde que se solicita una operación hasta que se puede solicitar la siguiente. En memorias estáticas, el tiempo de acceso y el de ciclo coinciden. 6 3

4 3. Elementos de proceso Realizan las operaciones aritméticas, lógicas, de desplazamiento, de rotación, etc., requeridas para ejecutar las instrucciones de los programas. Generalmente son circuitos combinacionales. Ejemplos: Unidad Aritmético-Lógica, multiplicadores, unidad de coma flotante, etc. Tipos de operadores: Número de operandos: Monádico. Diádico. Funcionamiento: Serie. Paralelo. Operaciones realizadas: De própósito general. De propósito específico. 3 ALU control Zero ALU ALU result 7 4. Elementos de interconexión Conectan elementos entre los que se pretende intercambiar información. La transferencia de los datos se puede hacer en serie o en paralelo. Elementos de interconexión: Multiplexores (tema 6). Buffers triestado. Buses (tema 24). Tipos de enlaces: Dedicados: entre dos elementos. Buses: compartidos por múltiples elementos. Enlaces dedicados: 8 4

5 Buffers triestado Buffer triestado: se utiliza para conectar la salida de los elementos a los caminos comunes de interconexión. Tiene una señal de control que permite que la información entrante lo atraviese si está activa. Si dicha señal se desactiva, la conexión entre la entrada y la salida desaparece (estado de alta impedancia Z ). C_Dato C_Dato_A C E S Dato n Dato_A n Z Z Activo Inactivo Dato_B n C_Dato_B 9 BUS Buses Bus de datos: transferencia de datos entre elementos. Ancho del bus de datos: ancho del computador (suele coincidir también con el ancho de la palabra de memoria). Bus de direcciones: transferencia de direcciones. Ancho del bus de direcciones: fija el tamaño máximo de la memoria. Bus de control: transferencia de señales de control (carga, selección, lectura o escritura de memoria, etc.) Bus del sistema: constituido por los tres buses anteriores (datos, direcciones y control). 5

6 Ejemplo de conexión en bus Módulo con conexión bidireccional Módulo con entrada desde el bus Módulo con salida hacia el bus Bus Cuando varios elementos pueden poner información en un mismo enlace (bus), es preciso interponer buffers triestado con señales de control excluyentes para evitar que dos elementos intenten enviar información a la vez. Unidad de Control (UC) temas 6 a 9: Controla las operaciones que realiza la ruta de datos. Máquina finita de estados: Va de un estado a otro en función de las señales que le devuelve el camino de datos. A su vez se compone de tres módulos: Módulo para el siguiente estado (función de transición). Módulo para la salida (función de salida). Elementos de memoria para el estado (registros). Camino de Datos temas 3 4 y 6 a 9: Responsable de realizar las operaciones que le manda la UC. Incluye la Unidad Aritmético-Lógica (ALU), registros para almacenamiento temporal de datos, contadores, desplazadores, así como los multiplexores y buses que interconectan estos elementos. 2 6

7 La UC es la unidad funcional que organiza y coordina a los restantes elementos del computador. Para ello utiliza las señales de control. Unidad de control (UC) Señales de control internas para la CPU IR Funciones de la UC: Lectura de las instrucciones ( fetching ). Decodificación de las instrucciones. Ejecución de las instrucciones. Resolución de situaciones particulares (interrupciones, trampas). Bus de control Señales de control hacia el bus Señales de control desde el bus Unidad de control Indicadores de estado Reloj (Clk) Para ejecutar un programa, la UC va leyendo y ejecutando las instrucciones una por una. La ejecución de un programa se compone de una secuencia de ciclos de instrucción. 3 Unidad aritmético-lógica (ALU) La ALU (Arithmetic Logic Unit) es el elemento de proceso que realiza la operación requerida en la instrucción. La ALU se compone del operador y de sus registros y caminos de transferencia y elementos asociados (banco de registros, acumulador, etc.) Unidad central de proceso: CPU = UC + ALU Registros Registros Unidad de control ALU Indicadores Registros 4 7

8 Imagen tomada de: Digital Logic and Microprocessor Design with VHDL, E. O. Hwang 5 Ciclo de instrucción y ejecución de programas Los computadores almacenan en la memoria principal para su posterior ejecución un programa (secuencia de instrucciones, así como un conjunto de datos). Las instrucciones, que están codificadas en binario (lenguaje máquina), indican a la UC qué operaciones hay que realizar en todo momento y por tanto qué señales de control de los distintos elementos del computador deben activarse a lo largo de los ciclos de reloj. Una instrucción de código máquina ocupará un número de bits equivalente a una palabra de memoria o un múltiplo de una palabra. A veces se necesitan palabras de extensión cuando la instrucción no cabe en una sola palabra. 6 8

9 Los bits de cada instrucción están agrupados en campos: Un código de operación (código de instrucción), que indica qué hace la instrucción (sumar, restar, mover datos, etc). Uno o varios operandos (o incluso ninguno), que indican cuáles son los datos sobre los que hay que realizar la operación. Fases en un ciclo de instrucción: ) Captación: Se trae la instrucción a memoria. 2) Indirección: Si es necesario, se leen datos en memoria a partir de su dirección. 3) Operación: Se decodifica el código de operación para averiguar de qué operación se trata y se realiza. 4) Escritura: Si es necesario, se escribe el resultado en memoria. 5) Interrupción: Si se produce algún error durante la instrucción, se ejecuta esta fase. En caso contrario se pasa a la captación de la siguiente Entrada / Salida El computador se comunica con el exterior mediante periféricos o dispositivos de E/S (temas 23 y 24). Puede hacerlo con dos tipos de buses: Bus dedicado (E/S aislada): Buses diferentes para acceder a memoria y a E/S. Espacios de direcciones diferentes para memoria y E/S. Bus único (E/S localizada en memoria): Espacio de direcciones único para memoria y E/S. 8 9

10 Espera activa (E/S controlada por programa): La CPU debe esperar a que el periférico pueda aceptar (escritura) o proporcionar (lectura) el dato, con el consiguiente retraso que esto genera. Interrupciones: La CPU lanza una petición de lectura o escritura al periférico, pero sigue trabajando. Cuando el periférico está preparado, éste lanza una petición de interrupción. En función del nivel de prioridad de la misma, se realiza la transferencia de datos o se espera a otro instante mejor. DMA ( Direct Memory Access, también llamado robo de ciclo ): Gestión de entrada / salida La CPU proporciona toda la información al controlador de DMA, tales como dirección del periférico, si la operación es de entrada/salida, dirección de los datos, etc. Mientras tanto la CPU sigue su ejecución normal. Es el controlador de DMA quien se encarga de la transferencia. Al finalizar, la DMA envía una interrupción a la CPU para avisarle de que la transferencia se ha completado Bibliografía D.A. PATTERSON, J.L HENNESSY. Estructura y diseño de computadores. Reverté, 2. P. DE MIGUEL. Fundamentos de los computadores. 7ª edición, Paraninfo, 999. C. CERRADA, V. FELIU. Estructura y Tecnología de Computadores I. UNED, 993 S. DORMIDO y otros. Estructura y Tecnología de Computadores. Sanz y Torres, 2. W. STALLINGS. Organización y Arquitectura de Computadores. 5ª edición, Prentice-Hall, 2. 2

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