3 - Arquitectura interna de un up

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Manuela Ortiz de Zárate Montes
hace 7 años
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1 3 - Arquitectura interna un up Componentes básicos Lenguaje ensamblador y código máquina Ciclo básico ejecución una instrucción Algunos ejemplos Universidad Politécnica Madrid

Componentes básicos la CPU: Registros, ALU y CU CPU: Es la encargada todas las operaciones y movimiento datos. Banco registros: almacena datos y resultados operaciones con la ALU.

2 Componentes básicos la CPU: Registros, ALU y CU CPU: Es la encargada todas las operaciones y movimiento datos. Banco registros: almacena datos y resultados operaciones con la ALU. El tamaño los registros suele coincidir con el la memoria datos, y fine el tipo CPU (8 bits, 32 bits, ) Unidad Aritmético Lógica (ALU): Realiza operaciones entre registros (+, -, and, or ) Unidad control (CU): Secuencia las acciones en función la instrucción a ejecutar programa Señales control generadas por la CU Bus datos la memoria prog. CS 0 CS 0 CS 1 Reset Clock Unidad Control R15 R1 R13 R1 R0 ALU Bus datos la memoria datos Banco registros CS 1 Unidad Aritmético Lógica datos Bus direcciones la memoria programa Bus direcciones la memoria datos Fundamentos Electrónica: Microprocesadores 2

3 Lenguaje ensamblador y código máquina (I) Qué tipo instrucciones ejecuta una CPU? En principio son instrucciones muy básicas: Respecto a los datos, pue: Cargar un registro con un dato la memoria o una constante Ejemplos: LD R0, 1000 == R0 M(1000) LDI R0, 5 == R0 5 Operar dos registros con la ALU (guardando el resultado el uno ellos) Ejemplos: ADD R0, R3 == R0 R0 + R3 NOT R == R R Guardar el contenido un registro en la memoria o en otro registro Ejemplos: ST R3, FC00 == M(FC00) R3 MOV R5, R == R R5 Respecto a las instrucciones, pue: Ejecutar secuencialmente una instrucción trás otra (según están en la memoria) Saltar una parte a otra l programa forma incondicional Ejemplo: JMP 2000 == saltar a la instrucción que está en la posición 2000 y continuar la ejecución s allí Saltar unas cuantas instrucciones forma condicional en función los resultados la última operación que hizo la ALU Ejemplo: BREQ 100 == Salta 100 instrucciones más alante si el resultado la última operación con la ALU fue 0 Saltar a una parte l programa en función alguna señal externa (se verá) Fundamentos Electrónica: Microprocesadores 3

4 Lenguaje ensamblador y código máquina (II) Cómo se ejecutaría un programa escrito, por ejemplo, en C? El compilador transforma el código en C para realizar la funcionalidad scrita a través ese conjunto instrucciones básicas Ejemplo: (versión algo simplificada respecto a cómo resultaría en la realidad): Código en C // Declaración variables byte a = 0; byte i = 0; // Bucle for for(i = 0; i < 20; i++) { } a = a + i; Código en «ensamblador» ST r0, 200 ; cargamos r0 con 0, y lo almacenamos en la ; posición memoria 200, que albergaría el valor ; la variable a (lo ci el compilador) ; im con la posición 20, ; que albergaría la variable i ; inicializamos la variable i con 0 ; lo guardo en su sitio LD r3, 200 ; cargo r3 con el valor la variable a ; le sumo el valor i ; y guardo el valor en su lugar (o sea, a = a + i) INC r0 ; incremento el valor i ; lo guardo en su sitio para que el valor en ; la memoria y en los registros sea coherente LDI r1, 20 ; cargamos r1 con 20 (el valor l final l bucle) SUB r1, r0 ; le restamos r0 ( i ), para comparar si i < 20 BRGT -7 ; si el resultado es mayor que 0 entonces i < 20 y ; (BRanch if Greater Than) salto 7 posiciones ; hacia atrás. Si no, continuaría con la siguiente ; instrucción que hubiese spués Fundamentos Electrónica: Microprocesadores

5 Lenguaje ensamblador y código máquina (III) Cómo se codifican y almacenan las instrucciones en la memoria? Las instrucciones en «lenguaje ensamblador» se codifican en un código binario. Según el micro, esta codificación podría hacerse en una o varias palabras por instrucción. Para realizar la codificación, se usa un «programa ensamblador», que se encarga traducir las instrucciones en «lenguaje ensamblador» a «código máquina» Normalmente se utiliza una codificación por «campos» Ejemplo: Cómo quedarían algunas instrucciones l anterior programa en la memoria Código ensamblador 3FF A 0B 0D 0E ST r0, 200 LD r0, 20 LD r3, 200 INC r0 LDI r1, 20 SUB r1, r0 BRGT -7 El código ensamblador es una representación «legible» l código máquina Cod. op. Reg st. Reg orig. Type Operación con la ALU 3 0 Suma LDI r1, 20 Cod. op. Reg st. val Cargar constante Cod. op. Reg st. val Guardar en memoria 3 no importa el valor FF etc etc Fundamentos Electrónica: Microprocesadores A 0B 0D 0E 10 Código máquina

6 Ciclo básico ejecución una instrucción (III) Cómo se ejecutan las instrucciones? La CPU va leyendo cíclicamente instrucciones la memoria programa, las interpreta (en función su codificación en binario), y la unidad control (máquina estados compleja) activa las señales control correspondientes para ejecutarlas. instrucciones 3FF A 0B ST r0, 200 LD r0, 20 LD r3, 200 INC r0 LDI r1, 20 SUB r1, r0 BRGT -7 2 CS Reset Clock Registro instrucciones Unidad Control Contador programa ALU R15 R1 R13 R3 R1 R0 3 datos 5 1FD 1FE Búsqueda la instrucción 2 Decodificación la instrucción 5 3 Operación/Ejecución Carga/Almacenamiento en registros/memoria 5 Incremento l contador programa Fundamentos Electrónica: Microprocesadores 6

7 Ciclo básico ejecución una instrucción (III) Cómo se ejecutan las instrucciones? La CPU va leyendo cíclicamente instrucciones la memoria programa, las interpreta (en función su codificación en binario), y la unidad control (máquina estados compleja) activa las señales control correspondientes para ejecutarlas. instrucciones 3FF A 0B ST r0, 200 LD r0, 20 LD r3, 200 INC r0 LDI r1, 20 SUB r1, r0 BRGT CS Reset Clock Registro instrucciones Unidad Control Contador programa ALU R15 R1 R13 R3 R1 R0 3 datos 5 1FD 1FE Búsqueda la instrucción 2 Decodificación la instrucción 5 3 Operación/Ejecución Carga/Almacenamiento en registros/memoria 5 Incremento l contador programa Fundamentos Electrónica: Microprocesadores 7

8 Ciclo básico ejecución una instrucción (IV) Cómo se ejecutan las instrucciones? Terminada una instrucción, se repite el ciclo con la siguiente (o con la que corresponda si es que ha habido algún salto a otra parte l código) 2 10 instrucciones 3FF A 0B ST r0, 200 LD r0, 20 LD r3, 200 INC r0 LDI r1, 20 SUB r1, r0 BRGT -7 CS Reset Clock Unidad Control Contador programa ALU R15 R1 R13 R3 R1 R0 datos 10 1FD 1FE Búsqueda la instrucción 2 Decodificación la instrucción 5 3 Operación/Ejecución Carga/Almacenamiento en registros/memoria 5 Incremento l contador programa Fundamentos Electrónica: Microprocesadores

9 Ejemplo: arquitectura AVR programa Banco registros Elementos la Unidad Control Unidad Aritmético Lógica CPU datos Dispositivos E/S Extraído la hoja características los microcontroladores AtMega Atmel Fundamentos Electrónica: Microprocesadores 9

10 Comparando: Un Intel I7 frente a un AtMega168 Cracterística AtMega168 Intel Core I7 (Quad) Ratio (aprox) Ancho bus 8 6 x8 Nº transistores < ~ x Nº pines 28 ~1155 x0 Frecuencia trabajo 16MHz ~3.2GHz x200 trabajo típica 16KB prog. / 1KB datos ~-8GBytes x MIPS/MFLOPS 16/0,5 ~75.000/ x5.000/x Consumo 20mW ~100W x5.000 Precio < 2$ ~350$ x200 Intel Core i7-263 mm 2 AtMega - 2 mm Fundamentos Electrónica: Microprocesadores 10

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