Tema 7: Esquema del Funcionamiento de una Computadora. Escuela Politécnica Superior Ingeniería Informática Universidad Autónoma de Madrid

Transcripción

1 Tema 7: Esquema del Funcionamiento de una Computadora Ingeniería Informática Universidad Autónoma de Madrid

2 Esquema del Funcionamiento de una Computadora O B J E T I V O S Adquirir los conceptos básicos sobre la CPU Comprender las fases de funcionamiento de la CPU TEMA 7: ESQUEMA DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA COMPUTADORA 7.1 La unidad aritméticológica. 7.2 La unidad de control. 7.3 Buses. 7.4 Formato de las instrucciones. 7.5 Operación de la CPU. Bibliografía Tema 7: - Introduction to Computer Hardware and Data Communications. P.-A. GOUPILLE. (Prentice Hall, 1993). Cap. 14 y Cap

3 Estructura funcional de los ordenadores Unidad de entrada Unidad de salida Memoria Unidad aritmético-lógica Unidad de control Memoria auxiliar Memoria central Entrada Unidad de control (UC) Unidad aritmético-lógica (UAL) Salida CPU 3

4 Estructura funcional de los ordenadores Unidad de entrada: Dispositivo por donde se introducen en el ordenador los datos e instrucciones Ejemplos:Teclado, ratón, escáner, lectora de tarjetas de crédito... Unidad de salida: Dispositivo por donde se obtienen los resultados de los programas ejecutados en la computadora Ejemplos: Pantalla, impresora, altavoz... 4

5 Estructura funcional de los ordenadores Memoria central o principal Unidad donde se almacenan tanto los datos como las instrucciones durante la ejecución de los programas Actúa con gran velocidad y está ligada a las unidades más rápidas del ordenador (UC y ALU) Para que un programa se ejecute debe estar almacenado (cargado) en la memoria principal Formada por circuitos electrónicos integrados (chips) Está dividida en posiciones (palabras de memoria) de un determinado número de bits, n, donde se almacena la información 5

6 Estructura funcional de los ordenadores Memoria central o principal Cada palabra sólo se puede referenciar por su dirección: Siempre que se quiera escribir o leer un dato o instrucción en memoria hay que especificar la dirección Normalmente hay una zona de la memoria que sólo se puede leer (memoria ROM) y que es permanente, y otra en la que se puede leer y escribir (memoria RAM) y que es volátil 6

7 Estructura funcional de los ordenadores Memoria auxiliar o masiva La memoria central es muy rápida pero no tiene gran capacidad de almacenamiento Para guardar masivamente información se utilizan otros tipos de dispositivos: discos magnéticos, discos ópticos... Dispositivos lentos pero con gran capacidad de almacenamiento (un millón de veces más lentos y del orden de mis veces más capaces) 7

8 Estructura funcional de los ordenadores La unidad aritmético-lógica (ALU) Contiene los circuitos electrónicos con los que se hacen las operaciones de tipo aritmético y de tipo lógico Incluye otros elementos auxiliares por donde se transmiten o almacenan temporalmente los datos (registros) con objeto de operar con ellos El símbolo para representar la ALU: A L U 8

9 Estructura funcional de los ordenadores La unidad de control El papel de la unidad de control es gestionar la ejecución de programas: Toma las instrucciones una después de otra, decodifica el código de instrucción y envía microinstrucciones a las otras unidades del sistema que participan en la ejecución Busca la siguiente instrucción y repite el proceso 9

10 Estructura funcional de los ordenadores La unidad de control Para realizar esta tarea, la UC tiene un conjunto de componentes internos: Registro de instrucción: Memoriza temporalmente la instrucción del programa que la UC está ejecutando Secuenciador: Envía las microinstrucciones adecuadas al código de operación de la instrucción que se está ejecutando Registro de estado: Conjunto de biestables (flags) que almacenan información sobre la última operación realizada en la ALU (si hubo acarreo, si el resultado fue negativo o cero...) Contador de programa: Registro especializado que el sistema carga automáticamente al principio de la ejecución del programa con la dirección de memoria de la primera instrucción a ejecutar. Cada vez que se carga una instrucción en el registro de instrucción se incrementa el contador de programa 10

11 Estructura funcional de los ordenadores Buses Los componentes de la CPU se comunican entre sí y con los componentes fuera de la CPU mediante cables que permiten la transferencia de datos binarios Conjunto de cables que transmite información en paralelo: Bus Bus de datos: Para transferir instrucciones o datos entre los componentes del sistema Dependiendo del número de cables que componen el bus se pueden transferir palabras de 8, 16, 32, bits en paralelo Ancho del bus Bus bidireccional 11

12 Estructura funcional de los ordenadores Buses Bus de direcciones: Se usa para transferir instrucciones: La dirección de la siguiente instrucción o de un dato Unidireccional: Desde la CPU a la memoria Si el bus de direcciones es estrecho Las instrucciones se transfieren en dos veces: La mitad más significativa seguida de la menos significativa El ancho del bus de direcciones puede determinar el tamaño de la memoria que puede direccionarse directamente: Bus de 16 bits permite direccionar 2 16 posiciones de memoria diferentes Bus de control: Permite transferir las microinstrucciones generadas por el secuenciador a los distintos componentes del sistema 12

13 Estructura funcional de los ordenadores Para un buen funcionamiento del conjunto procesador-memoria: Registro de dirección de memoria: Donde se almacena la dirección del dato o instrucción a leer o escribir Registro de memoria: Donde se almacena el dato a escribir en la memoria o la información leída de memoria 13

14 Estructura funcional de los ordenadores 14

15 El formato de las instrucciones Una instrucción es una operación elemental en un lenguaje de programación; la orden más pequeña que un programador puede dar a un ordenador Las instrucciones contienen dos tipos de información: Lo que tiene que hacer la instrucción (sumar, almacenar datos...) Con qué datos tiene que hacerlo 15

16 El formato de las instrucciones Las instrucciones son cadenas de 0 s y 1 s La traducción de una instrucción de lenguaje de alto nivel a binario la realiza un programa especial llamado intérprete o compilador La traducción de lenguaje ensamblador a binario la realiza un ensamblador especialmente escrito para el microprocesador en concreto 16

17 El formato de las instrucciones Cuando la unidad de control recibe una instrucción envía una lista de órdenes a las unidades que toman parte en la ejecución de la instrucción: Microinstrucciones 17

18 El formato de las instrucciones Instrucción, compuesta por dos campos: Código de operación Le dice al ordenador qué operación hay que llevar a cabo y qué partes del ordenador están involucradas en su ejecución La longitud de este campo depende del número de instrucciones que el microprocesador pueda entender. Código de operación de 8 bits Conjunto de 256 instrucciones (2 8 ) Campo de dirección Los datos sobre los que se realizan las operaciones están en memoria. La memoria está dividida en posiciones de memoria. Cada una tiene asociada una dirección, que suele representarse en hexadecimal El campo de dirección contiene la dirección de la posición de memoria donde están almacenados los datos 18

19 Operación n de la CPU Fases de funcionamiento de la CPU Hay dos fases: Fase de captación de la instrucción Fase de ejecución de la instrucción 19

20 Operación n de la CPU Fase de captación de la instrucción El programa en código máquina que hay que ejecutar se carga en memoria central Antes del comienzo de la ejecución del programa se carga el contador de programa con la dirección de la primera instrucción a ejecutar. Lo hace un programa del sistema operativo: Cargador El secuenciador genera las microinstrucciones necesarias para transferir la siguiente instrucción desde la memoria principal hasta la CPU para poder ejecutarla 20

21 Operación n de la CPU Fase de captación de la instrucción La secuencia de microinstrucciones es la siguiente: RPC LMA REA FET LIR IPC RPC (Read Program Counter): (Program Counter) Address bus LMA (Load Memory Address register): (Address Bus) Memory address register REA (REAd from Memory): (Memory) Memory data register FET (FETch memory data register): (Memory data register) Data bus LIR (Load Instruction Register): (Data bus) Instruction Register IPC (Increment Program Counter): (Program counter) + 1 Que se repite cada vez que se ha terminado de ejecutar una instrucción 21

22 RPC (Read Program Counter) 22

23 LMA (Load Memory Address register) LMA 23

24 REA (REAd from Memory) 24

25 FET FET (FETch memory data register) 25

26 LIR (Load Instruction Register) 26

27 +1 IPC IPC (Increment Program Counter) 27

28 Operación n de la CPU Fase de ejecución de la instrucción Una vez cargada la instrucción en el registro de instrucciones: El decodificador transforma su código de operación en una serie de microinstrucciones. El secuenciador envía las microinstrucciones a los dispositivos y es ejecutada. 28

29 Operación n de la CPU Ejemplo: Sumar los números 8H y 4H almacenados en las posiciones de memoria F800H y F810H, y almacenar el resultado en la posición F820H Tres operaciones: Cargar el primer valor en el acumulador Sumar el segundo valor al acumulador (resultado en el acumulador) Almacenar el resultado en la posición especificada 29

30 Operación n de la CPU Ejemplo:... Programa en lenguaje ensamblador: LD A, (F800H) ADD A, (F810H) LD (F820H), A Carga acumulador con contenido de la dirección F800H Suma contenido dirección F810H con acumulador Almacena contenido acumulador en la posición F820H Código máquina generado por el ensamblador, algo del estilo 3A F8 00 C6 F F

31 Ejemplo:... Operación n de la CPU Estado de la memoria antes de ejecutar el programa: Datos F F FB00 16 FB01 16 FB A F8 00 C6 F F8 20 Programa 31

32 Operación n de la CPU Ejemplo:... Las microinstrucciones generadas por este programa serían: 1ª instrucción: LD A, (F800H) RPC LMA REA FET LIR IPC LAD LMA REA FET LIA NOP LAC Campo dirección registro de instrucción Bus de direcciones Bus direcciones Registro de dirección de memoria Memoria Registro de datos de memoria Registro de datos de memoria Bus de datos Bus de datos Entrada A de la ALU Entrada B de la ALU Salida de la ALU Salida de la ALU Acumulador 32

33 Ejemplo:... 2ª instrucción: ADD A, (F810H) RPC LMA REA FET LIR IPC Operación n de la CPU LAD LMA REA FET LIB LIA ADD LAC Campo dirección registro de instrucción Bus de direcciones Bus direcciones Registro de dirección de memoria Memoria Registro de datos de memoria Registro de datos de memoria Bus de datos Bus de datos Entrada B de la ALU Bus de datos Entrada A de la ALU Suma con el acumulador Salida de la ALU Acumulador 33

34 Ejemplo:... Operación n de la CPU 3ª instrucción: LD (F820H), A RPC LMA REA FET LIR IPC LAD LMA ACB STO WRI Campo dirección registro de instrucción Bus de direcciones Bus direcciones Registro de dirección de memoria Acumulador Bus de datos Bus de datos Registro de datos de memoria Registro de datos de memoria Memoria 34

35 Operación n de la CPU Ejemplo:... Nuevas microinstrucciones: 35

36 ACB (ACcumulator to data Bus) 36

37 NOP (No OPeration) 37

38 LAC (Load ACumulator) 38

39 LAD (Load ADdress from instruction register) LAD 39

40 LIA (Load Input A of arithmetic and logic unit) LIA 40

41 LIB (Load Input B of arithmetic and logic unit) LIB 41

42 LPC (Load Program Counter) 42

43 STO STO (STOre memory data register) 43

44 WRI (WRIte to memory) 44

45 Ejemplo:... De forma esquemática: Operación n de la CPU 3A F8 00 C6 F F8 20 LAD LMA REA FET LIA NOP LAC LAD LMA REA FET LIB LIA ADD LAC LAD LMA ACB STO WRI El esquema completo se muestra a continuación: 45

46 Captación n de FB00 16 :RPC 46

47 Captación n de FB00 16 :LMA 47

48 Captación n de FB00 16 :REA 48

49 Captación n de FB00 16 :FET 49

50 Captación n de FB00 16 :LIR 50

51 +1 Captación n de FB00 16 :IPC 51

52 Eje. de LD A,(F ):LAD 52

53 Eje. de LD A,(F ):LMA 53

54 Eje. de LD A,(F ):REA 54

55 Eje. de LD A,(F ):FET 55

56 Eje. de LD A,(F ):LIA 56

57 Eje. de LD A,(F ):NOP 57

58 Eje. de LD A,(F ):LAC 58

59 Captación n de FB01 16 :RPC 59

60 Captaci Captación n de FB01 16 :LMA 60

61 Captaci Captación n de FB01 16 :REA 61

62 Captaci Captación n de FB01 16 :FET 62

63 Captación n de FB01 16 :LIR 63

64 +1 Captación n de FB01 16 :IPC 64

65 Eje. de ADD A,(F ):LAD 65

66 Eje. de ADD A,(F ):LMA 66

67 Eje. de ADD A,(F ):REA 67

68 Eje. de ADD A,(F ):FET 68

69 Eje. de ADD A,(F ):LIB 69

70 Eje. de ADD A,(F ):LIA 70

71 Eje. de ADD A,(F ):ADD 71

72 Eje. de ADD A,(F ):LAC 72

73 Captación n de FB02 16 :RPC 73

74 Captaci Captación n de FB02 16 :LMA 74

75 Captaci Captación n de FB02 16 :REA 75

76 Captaci Captación n de FB02 16 :FET 76

77 Captación n de FB02 16 :LIR 77

78 +1 Captación n de FB02 16 :IPC 78

79 Eje. de LD (F ),A:LAD 79

80 Eje. de LD (F ),A:LMA 80

81 Eje. de LD (F ),A:ACB 81

82 Eje. de LD (F ),A:STO 82

83 Eje. de LD (F ),A:WRI 83

84 Ejercicio Cambios en la secuencia de microinstrucciones anteriores si, en las mismas condiciones, se ejecuta LD A, (F ) Suponiendo: Operación n de la CPU MUL A, (F ) LD (F ), A MUL A, (F ) Acumulador dato del acumulador *dato de la dirección F La microinstrucción MUL hace que la ALU multiplique sus entradas y deja el resultado en su salida actualizando el registro de estado 84

85 Operación n de la CPU Ejercicio Solución: 3A F8 00?? F F8 20 LAD LMA REA FET LIA NOP LAC LAD LMA REA FET LIB LIA MUL LAC LAD LMA ACB STO WRI 85