Aquitectura de Computadoras SEM1 Sem1

Ing. Chauca Castillo Eduardo

CICLO 2016-I Módulo:IIUnidad: I Semana: 1

ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

Conceptos básicos y visión histórica

Tema 1: Introducción a

Arquitectura de Computadores

Programa de Teoría

1. Introducción.

2. Lenguaje Máquina.

3. Lenguaje Ensamblador.

4. Ruta de Datos y Unidad de Control.

5. Unidad Aritmético-Lógica (ALU).

6. Sistema de Entrada-Salida.

7. Memoria.

Contenido

• ¿Qué es un computador?

• Descripción funcional:

• Arquitectura de von Neumann

• Orígenes y evolución histórica.

• Parámetros característicos de un computador.

¿Qué es un computador?

Concepto de computador

Máquina de estados finitos: FSM

Arquitectura von Neumann

Ruta de datos

Unidad de Control

Memoria de programa y datos

FSM + Datapath

Arquitectura von Neumann

Ruta de datos

Responsable de realizar cálculos

Registros, unidades funcionales, unidades de interconexión

Unidad de control

Responsable de ordenar cálculos

Secuenciador, registros, pilas...

Memoria de programa y datos

Estructura de un computador

Procesador

Unidad de Control

Ruta de datos

UnidadAritmético-

Lógica

Memoria

Entrada

Salida

Computador

Ruta de datos

Unidades funcionales

Realizan operaciones aritméticas y/o lógicas

ALUs, desplazadores, multiplicadores

Registros de la ruta de datos

Almacenan resultados temporales

Unidades de interconexión

Multiplexores y/o buses

Unidad de Control

Contador de programa

Dirección de la instrucción en curso

Se incrementa en cada ciclo

Registro de instrucción

Código de la instrucción en curso

Secuenciador

Genera señales para cada instrucción

Actualiza el Contador de Programa

Secuenciador

Captación de la instrucción

Leer dirección del Contador de Programa

Incrementar el Contador de Programa

Decodificación de la instrucción

Ejecución de la instrucción

Captura de operandos

Operación

Escritura de resultados

Ejemplo de procesador

Necesidad de cómputoAntecedentes históricos

Ábaco

Máquina de Pascal (1642). Suma

Máquina de Leibniz (fin s. XVII). Multiplica y divide

Telar de Jacquard (med. XVIII) Tarjetas perforadas

El ábaco

La pascalina

La máquina de

calcular de Leibniz

La era moderna

Computadores mecánicos

Charles Babbage:

Máquina diferencial. Calcular tablas de artillería.

Máquina analítica. Programable, con E/S, memoria, unidad de cálculo

Computadores eléctricos

Clasificadora de Höllerith (1886): Primer ordenador eléctrico

Charles Babbage

Máquina de diferencias

Charles Babbage

Máquina analítica

Ada Lovelace

Clasificadora de Höllerith

Computadores electromecánicos

Zuse (1941) primer computador de relés

Howard Aiken (IBM)

Mark I, II, III y IV (1943-52)

Electromecánicos: Mark I

Howard Aiken: “Si Babbage hubiera nacido en elsiglo XX nos habríamos quedado sin trabajo”

Computadores electrónicos1ª generación: Válvula de vacío

ENIAC (1945-55), Eckert & Mauchly

John von Neumann: EDVAC (1945)

Bases de la arquitectura de computadores moderna

EDSAC (Wilkes,1949): programa almacenado y coma flotante

UNIVAC I (1951): computador fabricado en serie

Electrónicos (válvulas): ENIAC

John Mauchly John P. Eckert

Computadores electrónicos2ª generación: El transistor

1946: los laboratorios Bell inventan el transistor

Leprechaun, 1956: primer computador basado en transistores

Burroughs B5000: primer ordenador de estructura de pila

IBM Stretch, IBM 1410, PDP-1 (DEC), UNIVAC 1100

El transistor: 2ª generación

ShockleyBardain

Brattain

/

Electrónica integrada 3ª generación: Circuito Integrado

J. Kilby inventa el circuito integrado en 1958

Inicialmente, es un chip con algunos transistores (SSI)

A finales de los 60, ya son cientos de transistores (MSI)

1975, decenas de miles de transistores en un chip (LSI)

Grandes familias de computadores

Burroughs B2500, IBM 360, CDC 6500, PDP 5, UNIVAC

1108

Circuito integrado:

3ª generación

Jack Kilby

El microprocesador (4004)

¿4ª generación?El Microprocesador

Intel 4004: primer microprocesador comercial

Aparecen los lenguajes de programación de alto nivel

Parámetros característicos

Tamaño de palabra

Frecuencia de reloj

Medidas de rendimiento

MIPS, MFLOPS

Pruebas sintéticas: SPECint, SPECfp

Conceptos importantes

Estructura de un computador

Descomposición funcional

Fundamentos de la ejecución de un programa

Evolución tecnológica

Parámetros característicos y evaluación del

rendimiento

Arquitecturas y Partes de la CPU

Objetivos

• Arquitecturas

– von Neumann

– Otras

• Unidad Central de Procesamiento (CPU)

– Responsabilidades

– Requisitos

– Partes de una CPU

• ALU

• Control & Decode

• Registros

• Electrónica y buses

R.Mitnik 35

R.Mitnik 36

Índice

Capítulo 3 : Arquitecturas

3. Arquitecturas

3.1 von Neumann

3.2 Harvard

3.3 Otras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos)

R.Mitnik 37

Introducción

Corresponde a la estructura, organización, e interconexión de las

diversas partes de un computador


Arquitectura del set de instrucciones

Cantidad de instrucciones

Tamaño de las instrucciones

Maneras de acceder a memoria

Organización funcional

Registros

Interconexión entre los componentes

Mecanísmos de Entrada/Salida (I/O)

Jerarquías de memoria

R.Mitnik 38

Introducción

• Que hace un computador.

– Almacenar Datos (leer - escribir).

– Almacenar Programas.

– Ejecutar operaciones sobre datos.

– Ejecutar algoritmos.

– Recibir nuevos datos.

– Entregar resultados.

R.Mitnik 39

Índice

3.1 von Neumann

3.2 Harvard



R.Mitnik 40

Introducción

John von Neumann (se pronuncia «fon noiman»)

(28 de diciembre de 1903 - 8 de febrero de 1957)

Fue un matemático húngaro-estadounidense, de ascendencia judía.

Fue pionero de la computadora digital moderna y de la aplicación de la teoría operadora a la mecánica cuántica.

Participó del Proyecto Manhattan

R.Mitnik 41

Introducción

Trabajó con Eckert y Mauchly en la Universidad de Pennsylvania, donde publicó un artículo acerca del almacenamiento de programas.

El concepto de programa almacenado permitió la lectura de un programa directamente desde la memoria del computador, así como la ejecución de las instrucciones del mismo sin necesidad de un medio externo (cinta).

(Tomado de Wikipedia: John von Neumann)

http://es.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann

R.Mitnik 42

Arquitectura de von Neumann

• John von Neumann propuso una manera de

estructurar un computador.

– Almacenar Datos (leer - escribir).

– Almacenar Programas.

– Ejecutar operaciones sobre datos.

– Ejecutar algoritmos.

– Recibir nuevos datos.

– Entregar resultados.

CPU

Memoria

Input/Output

R.Mitnik 43


• CPU, Memoria e I/O se comunican a través

de Buses.

I/OMemoria

Address Bus

Control

CPU

Control

Data Bus

R.Mitnik 44

Índice

3.1 von Neumann

3.2 Harvard


R.Mitnik 45

Arquitectura Harvard

• Utiliza 2 memorias independientes

– Datos

– Instrucciones

• El término proviene de la computadora

Harvard Mark I, que almacenaba las

instrucciones en cintas perforadas y los datos

en interruptores.

R.Mitnik 46

Arquitectura Harvard

• Ventajas de la arquitectura Harvard

– Instrucciones y datos de distinto largo

– Memorias de distinto tamaño• bits de direccionamiento distintos

– Memorias con distinta tecnología

– Disminuyo el cuello de botella en el acceso a memoria

– En controladores embebidos:• RAM para los datos

• ROM para las instrucciones

R.Mitnik 47


• Ventajas de la arquitectura de von Neumann

– Uso mas eficiente de la memoria• Jerarquía de memoria no requiere estar dividida en 2

– Más simple arquitectónicamente• Un solo tipo de instrucciones para acceder a memoria

• Un solo bus de datos y de direcciones

Una misma forma de acceso a datos e instrucciones

– Mayor flexibilidad• Útil para el sistema operativo

• Paginación a disco

• Código automodificante

CPU con menos operaciones y mas flexible

R.Mitnik 48

Índice

3.1 von Neumann

3.2 Harvard


R.Mitnik 49

Multiprocesador

Procesador

Memoria

local *

Procesador

Memoria

local

Procesador

Memoria

local

Procesador

Memoria

local

Memoria Principal I/O

* Memoria Local: mantiene una copia local de una porción de la memoria principal

R.Mitnik 50

Multiprocesador

• Ventajas

– Procesamiento paralelo

– Cercanía entre CPUs

permite altas tasas de

transferencia de datos

• Desventajas

– No todo es paralelizable

Problemas de coherencia de memoria local con

memoria principal

R.Mitnik 51

Sistemas distribuidos


Red de interconexión

Procesador

Memoria

I/O

Procesador

Memoria

I/O

Procesador

Memoria

I/O


R.Mitnik 52


Red de interconexión

Cada nodo funciona como un computador

independiente

Se comunican por red

Distintas topologías: estrella, anillo, etc.

R.Mitnik 53


Ventajas

Procesamiento paralelo

Facilidad de incorporar y quitar

nodos del sistema

Desventajas

No todo es paralelizable

Overhead en la transferencia de datos es considerablemente

mayor

Problemas de coherencia de memorias

R.Mitnik 54

Índice

4.Unidad de Central de Procesamiento (CPU)4.1 Partes de la CPU.

4.2 Ciclo de la Instrucción.

4.3 Conjunto de Instrucciones y tipos de funcionalidad.

4.4 Diseño de una CPU básica.

4.5 CISC/RISC.

4.6 Modos de direccionamiento.

4.7 Instrucciones en lenguaje de máquina.

4.8 Subrutinas y Manejo de Stack.

4.9 Interrupciones de software y hadware.

R.Mitnik 55

Introducción

Componente principal de un computador, encargado

del control de flujo, decodificación y ejecución de

instrucciones, y procesamiento y transferencia de

datos.

Cerebro del computador

Unidad Central de Procesamiento(CPU o procesador)

R.Mitnik 56

Índice

Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)

4.1 Partes de la CPU.

4.2 Ciclo de la Instrucción.

4.3 Conjunto de Instrucciones y tipos de funcionalidad.

4.4 Diseño de una CPU básica.

4.5 CISC/RISC.

4.6 Modos de direccionamiento.

4.7 Instrucciones en lenguaje de máquina.

4.8 Subrutinas y Manejo de Stack.

4.9 Interrupciones de software y hadware.

R.Mitnik 57

Partes de la CPU

Capítulo 4 : Unidad de Procesamiento Central (CPU)

• Responsabilidades

– Ejecutar Operaciones y Algoritmos

– Controlar Flujo del Programa

– Controlar Circuitos Internos

R.Mitnik 58

9

00

01 1100011001

02 1110001010

03 1110000000

04 0110011000

05 0000011000

06 0001111000

07 0000000100

08 1111000000

09 0000000101

0A 0000000000

Partes de la CPU

• Requisitos:

– Procesar

instrucción

– Leer datos

– Almacenar

Temporalmente los

datos

– ALU – FPU

– Almacenar

Resultados

1101110111Load (7h)

4

5

0000001001

9

ALU

MemoriaEjecutar Operaciones y Algoritmos

00

01

02

03

04 0110011000

05 0000011000

06 0001111000

07 0000000100

08 1111000000

09 0000000101

0A 0000000000

1110000000

MOVE(0Ah)

R.Mitnik 59

1110001010

1100011001ADD(09h)

Partes de la CPU

• Ej. programa anterior.

LOAD (07h)

ADD (09h)

MOVE(0Ah)

GOTO(08h)

1101110111LOAD (07h)

4

5

ALU

9 Requisitos

Instruction Pointer

Mecanismos de Salto

9

GOTO(08h)

0000001001

Control de Flujo

Memoria

R.Mitnik 60

00 LOAD (07h)

01 ADD(09h)

02 MOVE(0Ah)

03 GOTO(08h)

04 0110011000

05 0000011000

06 0001111000

07 0000000100

08 1111000000

09 0000000101

0A 0000000000

Partes de la CPUEj.

implementació

n

memoria

mux

A

L

U

0001111000

registro

Circuitos internos

Requisitos

Buses internos.

Señales de control.

ALU (función)

Mux

Registros (Load,etc)

Contador (Inc,

Load,etc)

00000000

contador

R.Mitnik 61

Partes de la CPU

• Control & Decode procesa las

instrucciones.

– ROM

– Espacio de Direccionamiento determina

cantidad de instrucciones

– Las salidas son señales de control para

ejecutar una instrucción.Control & Decode

Instrucción

de k bits

n señales de

control para

la instrucción

2k palabras

n bits por palabra

R.Mitnik 62

Partes de la CPU

Registros de la CPU

R.Mitnik 63

Registros de la CPU

• Un procesador incluye:

– registros visibles para el usuario

– registros de control/estado.

Registros Visibles.

Pueden referenciarse en las instrucciones.

Se clasifican en:

Uso general.

Datos.

Direcciones.

Códigos de Condición

R.Mitnik 64

Registros de la CPU

¿Cuántos registros de propósito general?

Óptimo entre 8 y 32

Pocos registros demasiados accesos a memoria.

Muchos registros no reducen considerablemente las

referencias a memoria

Muchos registros CPU más compleja.

R.Mitnik 65

Registros de la CPU

¿De cuántos bits deben ser los registros?

Deben ser de un número suficiente tal que se

puedan manejar las direcciones a memoria.

Además deben ser capaces de manejar una palabra

completa.

A veces se combinan dos registros para conformar

uno solo.

R.Mitnik 66

Registros de la CPU

Registros Control/Estado.

controlar el funcionamiento de la CPU

PC = program counter: contiene la dirección de la

instrucción a captar

IR = instruction register: contiene la última instrucción

captada

MAR = memory address register: contiene la dirección de

una posición de memoria.

MBR = memory buffer register: contiene la palabra de

datos a escribir en memoria, o la palabra leída más

recientemente

R.Mitnik 67

Registros de la CPU


Adicionalmente se cuenta con PSW = program status

word:

Signo: contiene elbit de signo del resultado de última

operación

Cero: puesto a uno cuando el resultado es 0

Acarreo: puesto a uno si en la suma hay acarreo o en la

resta hay un adeudo del bit más significativo

Igual: puesto a uno si el el resultado de una comparación

lógica es la igualdad

Desbordamiento: Usado para indicar desbordamiento

aritmético

R.Mitnik 68

Registros de la CPU


Adicionalmente se cuenta con PSW = program status

word:(continuación)

Interrupciones: usado para permitir o inhabilitar

interrupciones

Supervisor: indica si la CPU funciona en modo supervisor

o usuario. Únicamente en modo supervisor se pueden

ejecutar ciertas instrucciones privilegiadas y se puede

acceder a ciertas áreas de memoria

R.Mitnik 69

00 LOAD (07)

01 ADD(09)

02 GOTO(0A)

03 1110000000

04 0110011000

05 0000011000

06 0001111000

07 0000000100

08 1111000000

09 0000000101

0A 0000000000

Partes de la CPU

• Ej. Implementación modificado memoria

mux

A

L

U

0001111000

registro

00000000

contador

IRControl &

Decode

Señales de

Control

R.Mitnik 70

Partes de la CPU

Partes de la CPU.

Registros

Program Counter

Instruction Register

Uso general

ALU

FPU

Control & Decode

Buses

Circuitería

R.Mitnik 71

Resumen

• Distintas arquitecturas

• Partes de la CPU y sus funciones

– Registros

• Visibles

• Control/Estado

– ALU, FPU

– Control & Decode

• Decodificación de instrucciones

• Señales de control

– Buses Internos

– Circuitería

Resumen

GRACIAS

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