COMPUTADORA. Introducción Las computadoras se usan en diversas aplicaciones

Transcripción

1 ORGANIZACIÓN DE UNA COMPUTADORA Introducción Las computadoras se usan en diversas aplicaciones (industria, i oficinas, i hogares, ciencia, i etc.) La primera computadora digital electrónica fue construida durante la segunda guerra mundial (1942) para resolver problemas científicos: ENIAC

2 Caracteristicas de la ENIAC (primera generación) 300 multiplicaciones por segundo y 5000 sumas tubos de vacío Ocupaba 1800 sq feets (~200 m 2 ) Problemas: - Costo (~ dólares), - Tamaño, - Potencia y refrigeración - Confiabilidad (alta frecuencia de fallos) Et f l i d l d ió l Esto se fue solucionando en la segunda generación con el transistor, y luego con los circuitos integrados y el aumento en la densidad de integración.

3 En 1945 Von Neumann introdujo la idea de programa almacenado. Para lograr funciones especificas, los chips eran muy caros. Para cada cambio en las condiciones del sistema se necesitaba prácticamente un nuevo diseño. La solución para esto fue diseñar un circuito que pueda realizar muchas funciones distintas, según la combinación de unos y ceros (código) que tenga en determinados terminales. Ejemplo: sumar dos números, compararlos, almacenarlos, etc. código de operación Entradas Salidas El valor codificado indica que se debe hacer (instrucción). Según sean las instrucciones que se le pida y el orden de estas, el circuito realizará distintas tareas. Esto es esencialmente, lo que hace un microprocesador.

4 En 1971 Intel introdujo el primer microprocesador (de 4-bits): el Intel crea el 8008 Primer µp de 8-bits aparecen otros µp de 8 bits de otras compañías: Motorola (6800), Zilog (Z80) e Intel (8085) aparecen los µp de 16 bits 8086 y el En los 80 siguen apareciendo µp con mejor performace y aparece el 1 Risc En los 90 Intel introduce el Pentium y en 1999 el Pentium III a 500 Mhz Intel comercializa el Pentium IV a32ghz 3.2 Ghz. En cuanto a la tecnología usada es principalmente del tipo CMOS, la densidad de integración crece 50% por año y la frecuencia del clock ha crecido desde ~1 Mhz al comienzo a varios Ghz actualmente. Un µp esta compuesto por elementos estudiados en cursos anteriores: registros, contadores, ALU, etc. (hardware) Software es el conjunto de instrucciones (programa) que se le da al µp para ejecutar. Un µp solo entiende un conjunto determinado de instrucciones, las cuales llegan al él para ser ejecutadas, a través de unos y ceros. Este lenguaje de unos y ceros es el llamado lenguaje de máquina

5 Existe un lenguaje mas fácil de comprender llamado Assembler Ejemplo: La instrucción encargada de sumarle uno a un registro del µp (en este caso el registro A): Lenguaje de máquina Assembler INC A Cada µp tiene su assembler particular, que en algunos casos es compatible con otros procesadores. Los lenguajes superiores como C, Pascal ó Basic no dependen del µp donde se ejecuten, mientras que el assembler sí. Existen programas que traducen los lenguajes superiores a assembler o lenguaje de máquina para un dado P. Estos son los llamados compiladores: Lenguaje superior (Ej. C) general Assembler específico del P Lenguaje de máquina

6 UNIDAD DE COMPUTO Vamos a llamar unidad de cómputo a un sistema que tiene la capacidad de poder realizar por sí solo una determinada tarea, consistente en: - recibir información (del exterior), - procesarla, - tomar decisiones, y - brindar información o dar órdenes (al exterior). Estructura básica: Mem. de Progr. Mem. de Datos Unidad de Entrad Salida Control a ALU

7 Elementos básicos de una computadora P Arithmetic Logic Unit Input/Output (comunicación con el exterior) Registers Memorias (programa, datos, etc.) Control Clock

8 Elementos básicos: descripción de cada bloque BLOQUE DE LA UNIDAD ARITMÉTICO LÓGICA (ALU) Es el área del µp donde se realizan todas las operaciones aritméticas y lógicas. Puede realizar muchas operaciones que se seleccionan mediante líneas de entrada manejadas por el área de control del µp Los operandos y los datos resultantes se almacenan en registros o en memoria. El número de bits con que opera una ALU varía con el µp, existiendo de 4, 8, 16, 32 y 64 bits. BLOQUE DE REGISTROS Son elementos que almacenan datos en forma temporaria. Son flip-flops o registros de un bit agrupados de a 8, 16, 32 ó 64 bits dependiendo del procesador. Existen registros especiales (para tareas específicas) y registros de uso general. Se usan en general como paso de los datos entre la CPU y la memoria y entre la CPU y los dispositivos de entrada-salida. Almacenan por ejemplo: los datos que se quieren operar en la ALU, la dirección de la próxima instrucción, la dirección de memoria donde está un dato especifico, etc. No todos los registros del microprocesador son accesibles para el programador.

9 RELOJ (CLOCK) Los microprocesadores son, en general, circuitos secuenciales sincrónicos. El clock es el encargado de fijar la señal que con la cual se sincronizarán todas las tareas de la unidad de cómputo. La frecuencia del clock debe ser lo mas estable posible y normalmente queda determinada por un cristal. Casi todos los nuevos procesadores tienen el circuito oscilador dentro del chip y solo se debe colocar externamente el cristal. BUSES Las distintas partes se vinculan entre si por líneas eléctricas que solo pueden tener 2 estados (digitales). Estas líneas forman parte de alguno de los siguientes grupos: Bus de datos Bus de direcciones Bus de control Tiene código de instrucciones o datos Tiene la dirección desde donde se quiere lee o escribir Es el responsable de llevar las señales que controlan y sincronizan la unidad de cómputo

10 BLOQUE DE CONTROL Es el encargado de controlar el flujo de información de datos entre las distintas partes de la unidad de cómputo. Interpreta que tarea debe realizar el µp cuando llega una nueva instrucción y orquesta las señales de control necesarias para realizarla. Manda a leer o escribir datos de la memoria o de los dispositivos de entrada/salida haciendo uso de las señales del bus de control, habilitando algunos bloques e inhibiendo otros. Selecciona que dirección se debe colocar en el bus de direcciones. Memoria prog. Memoria datos Entrada. Salida µp Datos Direcciones Control

11 Instrucciones de un P Algunas de las instrucciones típicas de los µp son: Incrementar en uno el contenido de un registro del µp Sumar el contenido de dos registros del µp Cargar el valor que tiene un periférico de entrada en un registro del µp Sacar por un periférico de salida el contenido de un registro del µp Como sumaria dos valores que llegan por un periférico de entrada? El hardware indispensable para ejecutar un programa sería el µp y la memoria. Ejemplo: si queremos sumar los 10 primeros números ( ) teniendo ademas dos instrucciones, una que borre un registro y otra que sume uno a ese registro. El problema es que no se ve el resultado (es necesario un dispositivo de salida). Si queremos sumar los N primeros números naturales es necesario una entrada, para saber N.

12 Como se ejecuta la primer instrucción Cuando alimentamos el P este pone siempre la misma dirección para leer la primer instrucción (por ejemplo 0000h). Lee lo que hay en el bus de datos y lo guarda en un registro especial llamado registro de instrucción. Luego decodifica la instrucción y pasa a ejecutar la operación solicitada. Todo este proceso se llama opcode fetch (búsqueda del código de operación) Qué pasa si no hay nada en esa dirección? Una instrucción ió puede tener mas de una palabra, pero la operación ya esta especificada en la primer palabra. Incrementar un registro interno ( INR B ) no necesita mas que una palabra. La instrucción en lenguaje de máquina (para un procesador de 8 bits) podría ser: h Una instrucción ió similar il pero para el registro A es: Asembler: INR A Lenguaje de máquina:

13 Instrucciones de transferencia: MVI Ejemplo de una instrucción donde se necesita mas de una palabra podría ser: cargar el registro A (8 bits) con un número de 8 bits Esta instrucción tiene dos palabras, la primera (opcode) indica que se va a cargar el registro A del µp con un número de 8 bits, la segunda palabra dice de que número se trata. Simbólicamente: A 4Bh La instrucción en assembler es: MVI A,4Bh En lenguaje de máquina es: = 3Eh = 4Bh

14 Instrucciones de transferencia: LDA cargar el acumulador con un dato que está en una dirección determinada Cada P Ptiene un número determinado d de líneas de direcciones, i por lo tanto tiene la posibilidad de direccionar 2 n posiciones: 8 bits posiciones 16 bits (64K) posiciones i 32 bits Giga posiciones Vamos a trabajar suponiendo un P de 8 bits de datos y 16 bits de direcciones. Para cargar el registro A con lo que hay en una dirección cualquiera (de 16 bits) por ejemplo: 163Fh = En assembler: LDA dirección Cuántas palabras de código son necesarias?

15 Instrucciones de transferencia: LDA LDA dirección El primer byte indica el tipo de operación (opcode), que en este caso le dice que hay que cargar al reg. A el valor que está en una dirección, la cual viene en los próximos 2 bytes. El siguiente byte indica los primeros 8 bits de la dirección donde está el dato y el tercero la parte restante. En lenguaje de máquina: = 3Ah (opcode) = 16h (parte baja dir.) = 3Fh (parte alta dir.) El assembler será: LDA 163Fh A (163Fh) Que paso con el valor que tenía A?

16 Instrucciones de transferencia: STA transferir lo que está en el registro A en una dirección cualquiera (por ejemplo la 3B01h = ) Simbólicamente: (3B01h) A Aquí se escribe en la dirección 3B01 (de la RAM) el valor del registro A. En asembler sería: STA dirección STA 3B01h En binario: = 32h (opcode) = 3Bh = 01h

17 Instrucciones de transferencia: MOV Otro tipo de instrucción es move que consiste en copiar el contenido de un registro en otro : MOV B,C B C La instrucción tendría un solo byte (el opcode) con el siguiente formato: 01DDDSSS donde SSS es la fuente y DDD es el destino. Sería: = 41h Para hacer la asignación en sentido contrario, MOV C, B C B = 48h

18 Otras instrucciones: ADD sumar 2 registros internos A A + C El asembler es: ADD C En binario: = 81h Y en este caso de nuevo basta con una sola palabra. Hay 4 registros internos en este P que se los identificará con el siguiente código: A 111 C 001 B 000 D 010 En la instrucción anterior los tres últimos bits del opcode indican que registro se suma al A (dado que A siempre es uno de los sumandos). Para sumar A + B el código sería: Assembler: ADD B Binario: = 80h como multiplicaría 2xA?

19 Arquitecturas De buses independientes: DIR MEM. DE PROG DIR DATOS µp DATOS DIR DATOS MEM. DATOS ENTR. DIR DATOS SAL. Este esquema no se usa ya que necesita muchas conexiones.

20 Arquitecturas Con memoria de programa (instrucciones) y memoria de datos independientes (tipo Harvard): DIR DIR DATOS MEM. DATOS MEM. DE PROG. DATOS µp ENTR. SAL. Tiene algunas aplicaciones (PICs).

21 Arquitecturas Con memoria de programa y de datos común (tipo von Neumann): DIR DATOS MEM. DE PROG µp MEM. DATOS ENTR. SAL. Ejercicio: Veamos con un poco de detalle el µp por dentro y como se ejecutan las siguientes instrucciones: INC B MOV A,B LDA dir STA dir MVI A,dato ADD B Esta es la arquitectura mas frecuente y con la que vamos a trabajar.

22 Instrucciones de salto: JMP En general las instrucciones que debe ejecutar un µp no ocupan lugares consecutivos en la memoria de programa. Existen instrucciones de salto que hacen que la próxima instrucción a ejecutar este en cualquier lugar de la memoria. Hay dos tipos de instrucciones de salto: Salto incondicional Salto condicional Instrucciones de salto incondicional: No se debe cumplir ninguna condición para que se ejecute el salto. Si queremos seguir nuestro programa en la dirección 0100h. La instrucción en asembler será: JMP dir donde dir esta formada por dos bytes. En lenguaje de máquina: = C3h (opcode) = 00h (dir parte baja) = 01h (dir parte alta)

23 Instrucciones de salto condicional: JZ y JNZ Son aquellas donde la dirección de la próxima instrucción depende del resultado de la ultima operación de la ALU. Ejemplos: saltar si dió cero En asembler: JZ dir En lenguaje de máquina: = CBh (opcode) dir_l (parte baja de dir) dir_h (parte alta de dir) Esta instrucción salta a la dirección dir si la última operación realizada por la ALU dió cero, caso contrario ejecuta la instrucción que está en PC+3. Otra instrucción de este tipo es la siguiente: JNZ dir Aquí el salto se produce si la última operación fue distinta de cero, en caso contrario sigue en PC+3.

24 Resumen de las instrucciones vistas ASSEMBLER HEXADECIMAL OPERACIÓN INC B 04 B B+1 INC A 3C A A+1 (*) MVI A,dato 3E,dato A dato MVI B,dato 06,dato B dato LDA dir 3A,dir A (dir) STA dir 32,dir (dir) A ADD B 80 A A+B (*) ADD C 81 A A+C (*) MOV B,C 41 B C MOV C,B 48 C B MOV A,B 78 A B MOV B,A 47 B A DEC A 05 A A-1 (*) JMP dir C3,dir PC dir JZ dir CB,dir PC dir si Z=1, PC PC+3 siz=0 JNZ dir C2,dir PC dir si Z=0, PC PC+3 si Z=1 Nota1: dato tiene una longitud de 8 bits y dir de 16 bits Nota2: las instrucciones con (*) modifican el estado del flag Z. Si el resultado de la última operación con la ALU fue cero => Z=1 y si el resultado de la última operación con ALU fue distinto de cero => Z=0.

25 Detalle de un P con Memoria, E/S y decodificación