Universidad Nacional de Catamarca Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Transcripción

1 Universidad Nacional de Catamarca Facultad de Ciencias Exactas y Naturales CICLO PROFESORADO EN COMPUTACIÓN San Miguel de Tucumán ARTICULACIÓN CURRICULAR II PARTE I: ARQUITECTURA DEL PROCESADOR Clase 4 Estructura de una computadora Jerarquía de Niveles Ing. Georgina Inés Cerúsico

2 Estructura de una Computadora Máquina de von Neumann Jerarquía de Niveles

3 Inicios de la computación Turing y Church sientan las bases teóricas de la computación Máquina de Turing Máquina teórica compuesta por una cinta y una cabeza que puede leer y grabar símbolos en ella. Un conjunto finito de estados Un programa cableado del tipo (condición, acción) Máquina universal de Turing Máquina (teórica) capaz de simular el comportamiento de cualquier máquina (de Turing) a partir de un programa ingresado en la cinta

4 El modelo de von Neumann Antes: programar era conectar cables Hacer programas era más una cuestión de ingeniería electrónica Cada vez que había que calcular algo distinto había que reconectar todo. Como vemos en la fotografía, las encargadas de programar las primeras computadoras eran mujeres.

5 Von Neumann Eckert - Mauchly , Matemático En 1944, el Proyecto ENIAC (una máquina de propósito general, limitada por una pequeña cantidad de memoria y por la dificultad de programación) atrajo a von Neumann. El grupo formado por los Ing. Prespert Eckert y John Mauchly quería mejorar el proceso de introducción de los programas y se planteó la posibilidad de guardarlos codificados como números. Von Neumann ayudó a cristalizar estas ideas y escribió un informe proponiendo una máquina con el programa almacenado llamado EDVAC. Se publicó y publicitó la idea de programa almacenado en memoria, en un informe con el nombre de von Neumann, mientras que los de Eckert y Mauchly, fueron omitidos. Esto sirvió de base para el término de uso habitual máquina von Neumann, que para muchos autores otorga demasiado protagonismo a von Neumann, y demasiado poco a los ingenieros Eckert y Mauchly, que trabajaron en las máquinas.

6 Ideas publicitadas por von Neumann Los datos y programas se almacenan en una misma memoria de lectura-escritura Los contenidos de esta memoria se direccionan indicando su posición sin importar su tipo Ejecución en secuencia (salvo que se indique lo contrario) Representación Binaria

7 Estructura (computadora) Computador Computadora Unidad Central de Proceso CPU Sistema de interconexión Memoria Principal Entrada Salida

8 Características principales 3 componentes principales: CPU: Unidad de Control, Unidad aritmético lógica (ALU), Registros Memoria principal: Almacena programas y datos Sistema de Entrada/Salida Procesamiento secuencial de instrucciones Datos binarios Un sistema de interconexión Conecta la memoria y unidad de control Fuerza la alternación entre ciclos de lectura y ejecución

9 Estructura (CPU) CPU I/O Computer System Bus Memory CPU Registros Interconexión Interna de la CPU Unidad Aritmética y Lógica Unidad de Control

10 CPU Unidad de Control (UC) Controla todos los componentes Interpreta instrucciones Decodifica y Ejecuta instrucciones. Transforma instrucciones en órdenes a otros componentes Puede ser programada por hardware (cableada) y microprogramada (varias microinstrucciones por instrucción) Unidad Aritmético Lógica (ALU) Realiza operaciones matemáticas y lógicas Sumas, restas, multiplicaciones And, Or, Xor Corrimientos

11 Registros CPU Almacenan datos binarios, acceso rápido De tamaño fijo De propósito general (programas) o específicos (acumulador, program counter, puntero a memoria, etc.) DataPath (Camino de datos) Red interna que comunica la UC con las otras unidades y registros Mueve datos entre los diferentes componentes Controlada por un reloj.

12 Estructura de una máquina von Neumann

13 PC Registros Contador de Programa IR Registro de Instrucción AC Acumulador DR Registro de Datos AR Registro de Dirección TR Registro temporal INPR Registro de entrada OUTR Registro de salida

14 Ciclo de instrucción 1. Búsqueda: Recuperar la siguiente instrucción desde memoria (apuntada por el program counter) y luego incrementar el program counter para que indique donde se encuentra la siguiente instrucción. 2. Decodificación: Decodificar el patrón de bits en el registro de instrucción IR. Y Buscar los operandos que intervienen en la operación 3. Ejecución: Ejecutar la instrucción indicada en el registro de instrucción IR.

15 Ciclo de Ejecución 1. UC obtiene la próxima instrucción de memoria (usando el registro PC). 2. Se incrementa el PC. 3. La instrucción es decodificada a un lenguaje que entiende la ALU (cuando se trata de una operación aritmética o lógica). 4. Obtiene de memoria los operandos requeridos por la operación. 5. La ALU ejecuta y deja los resultados en registros o en memoria. 6. Repetir paso 1.

16 Ciclo de ejecución La unidad de control levanta la próxima instrucción de memoria usando el contador de programa (o RPI) que dice en qué dirección está la próxima instrucción.

17 Ciclo de ejecución La instrucción es decodificada a un lenguaje que entiende la ALU (unidad aritmética lógica).

18 Ciclo de ejecución Cada operando requerido para ejecutar es levantado de la memoria principal y ubicado en registros dentro de la CPU.

19 Ciclo de ejecución La ALU ejecuta la instrucción y coloca los resultados en registros o en memoria.

20 Procesador-memoria Tipos de Operaciones Transferencia de datos entre la CPU y la memoria Procesador-E/S Transferencia de datos entre la CPU y un módulo de E/S Procesamiento de datos Alguna operación aritmética o lógica sobre los datos Control Alteración de la secuencia de operaciones Ej.: jump, call

21 Formatos de Instrucción I Código de Operación Dirección Cód. De Operación del 000 al a) Instrucciones de Referencia a memoria Operación de registro Cód. De Operación = 111, I = b) Instrucciones de referencia a registro Operación de I/O Cód. De Operación = 111, I = c) Instrucciones de entrada salida (I/O)

22 Microoperaciones La Unidad de Control interpreta el código binario de la instrucción y procede a ejecutarla mediante una secuencia de microoperaciones. Por ejemplo para la instrucción: AND (operación lógica AND) DR M[AR] AC AC DR

23 Modelo de von Neumann Bus del Sistema

24 Una posible configuración

25 Buses Una vía comunicación que conecta 2 o más dispositivos En general broadcast (todos lo ven) En general agrupados Varios canales en un grupo Ej: Data bus de 32 bits, son 32 canales de 1 bit

26 Data Bus: Bus de Datos Transfieren información Su tamaño es un punto clave en la performance del sistema 8, 16, 32, 64 bits

27 Address bus: Bus de dirección Identifican la fuente o destino de un dato Ej: la CPU necesita leer una instrucción (dato) de una locación en memoria Su tamaño determina la capacidad máxima de memoria del sistema Ej: el Intel 8080 tiene 16 bit => 64kb de espacio direccionable

28 Control Bus: Bus de control Control y sincronización Señal de lectura escritura a memoria Señales del reloj Solicitud de interrupción

29 Organización de la CPU - De Acumulador único: la CPU cuenta con AC para realizar las operaciones. ADD X (X es la dirección del operando) AC AC + M[X] - De Registro general: la CPU cuenta con un conjunto de registros para realizar las operaciones. ADD R1,R2,R3 R1 R2 + R3 ADD R1,R2 R1 R1 + R2 - De Pila: la CPU cuenta con una pila para realizar las operaciones. PUSH X (escribirá la palabra de la dirección X, M[X] en la parte superior de la pila) ADD (lee los dos números superiores de la pila, los suma y escribe la suma en la pila)

30 Formato de las instrucciones de acuerdo al número de direcciones Instrucciones con: Tres direcciones: ADD R1,A,B Dos direcciones: MOV R1,A Una dirección ADD B R1 M[A] + M[B] R1 M[A] AC AC + M[B] Cero direcciones PUSH A TOP A (TOP: parte superior de la pila) ADD TOP (A + B)

31 Conjunto de Instrucciones Un procesador típico posee: - Instrucciones Aritméticas, lógicas y de corrimiento. - Instrucciones para mover información hacia y desde la memoria y los registros del procesador. - Instrucciones de control del programa, junto con instrucciones que verifiquen las condiciones de estado (registro de banderas). - Instrucciones de entrada y salida.

32 Dirección Efectiva Se define como la dirección de memoria obtenida del cálculo, fijado mediante el modo de direccionamiento proporcionado. Es decir, es la dirección del operando en una instrucción. - Modo de direccionamiento directo: La dirección efectiva es igual a la parte de dirección de la instrucción. - Modo de direccionamiento indirecto: El campo de dirección de la instrucción proporciona la dirección en que se almacena la dirección efectiva en la memoria.

33 Modo de direccionamiento Directo e Indirecto 14 0 ADD ADD Operando 350 Operando AC AC

34 Configuración de entrada-salida Terminal de E/S Impresora Interfaz de comunicación serial Interfaz receptora Registros de computadora y flip-flops FGO OUTR AC Teclado Interfaz transmisora INPR FGI

35 Impresora Configuración de entrada-salida La computadora no carga un nuevo caracter en OUTR Terminal de cuando FGO es Interfaz 0 porque de E/S esta condición indica comunicación que el dispositivo de salida serial se encuentra en el proceso de imprimir el caracter. Interfaz receptora Registros de computadora y flip-flops FGO OUTR AC Teclado La bandera FGI se activa en 1 cuando hay disponible información nueva en el dispositivo de entrada. Y se desactiva a 0 cuando la computadora acepta la información. Interfaz transmisora INPR FGI

36 Modelos no von Neumann Cuello de von Neumann El procesador ejecuta una instrucción por vez Comunicación con Memoria y E/S empeoran la cosas.. Mejoras: Buses especializados Interrupciones Unidades de punto flotante Caches, Pipelines Otro enfoque: apartarse de la arquitectura clásica de von Neumann. Agregar procesadores es una posibilidad

37 Modelos no von Neumann A finales de los 60 los sistemas de cómputo highperformance fueron equipados con procesadores duales para mejorar su desempeño. En los 70 supercomputadoras con 32 procesadores. En los 80 con 1000 procesadores En 1999, IBM anunció su sistema Blue Gene que contiene aprox. 1 millón de procesadores. Procesadores superescalares

38 Modelos no von Neumann Supersegmentación El procesamiento paralelo es una de las formas de mejorar el poder de cómputo. Otras ideas más radicales: Computadoras genéticas Computadoras cuánticas Sistemas Dataflow.

39 La jerarquía de niveles de una computadora Una computadora es mucho más que chips. Para que la computadora haga algo necesita software Para escribir programas complejos se suele dividir el problema en módulos que resuelven problemas más simples En las computadoras Varios niveles de máquinas virtuales

40 Jerarquía de niveles Cada capa es una máquina virtual que abstrae a las máquina del nivel inferior. Las máquinas, en su nivel, interpretan sus instrucciones particulares, utilizando servicios de su capa inferior para implementarlas. En última instancia los circuitos terminan haciendo el trabajo

41 Level 6: Nivel Usuario Jerarquía de niveles Ejecución de programas e interfaces de usuario. Pensamos en términos de la aplicación que se ejecuta Level 5: Lenguajes de alto nivel El nivel donde interactuamos cuando escribimos programas en Haskell, C, Java, etc. Pensamos el algoritmo, TADs, etc.

42 Jerarquía de niveles Level 4: Nivel de Lenguaje Ensamblador Lenguaje ensamblador, en general producido por compiladores, o escrito directamente por programadores. Muy cercano a la arquitectura de la computadora. Level 3: Nivel del software del Sistema Controla la ejecución de los procesos del sistema. Protege los recursos. Brinda servicios para acceder a dispositivos de E/S Muchas instrucciones en Assembler pasan este nivel sin modificación.

43 Jerarquía de niveles Level 2: Nivel del Lenguaje de máquina También conocido como nivel ISA (Instruction Set Architecture). Consiste en las instrucciones particulares para la arquitectura de la máquina. Los programas escritos en lenguaje de máquina no necesitan compilación ni ensamblado.

44 Jerarquía de niveles Level 1: Nivel de Control La unidad de control (UC) decodifica y ejecuta instrucciones y mueve datos a través del sistema. Puede ser microprogramada o cableada. Un microprograma es un programa escrito en un lenguaje de bajo nivel que puede ser implementado en hardware. Las UC cableadas tienen hardware que ejecuta directamente las instrucciones en código de máquina.

45 Jerarquía de niveles Level 0: Nivel de Lógica Digital Aquí encontramos los circuitos digitales (chips). Son básicamente compuertas y cables. Implementan la lógica matemática de los niveles superiores.

46 Links y Fuentes de información John von Neumann, First Draft of a Report on the EDVAC, 1946 (en sección download) Computer Architecture home page: Null, L. and J. Lobur. The Essentials of Computer Organization and Architecture, Jones and Bartlett Publishers, Feb Organización del Computador 1, Máquina de von Neumann Jerarquía de Niveles Organización y Arquitectura de Computadores. Stallings. W. 5ª Edición. Prentice Hall Arquitectura de Computadoras. Mano, M. Morris. Tercera Edición. Prentice-Hall Hispanoamericana Estructura y Diseño de Computadores. Patterson, David A. y Hennessy, John L. Vols. 1 y 2. Ed. Reverte