C105 L2 Arquitectura - tierra.aslab.upm.estierra.aslab.upm.es/~sanz/old/cursos/C1/C105L2.pdf · Arquitectura de Computadores 2 Arquitectura de Computadores •Arquitectura de computadores

Arquitectura [email protected]

Curso 2004-2005

Arquitectura de Computadores 2

Arquitectura de Computadores

Arquitectura de computadores es ladisciplina que estudia la organizacin yfuncionamiento de los computadores

A veces se emplean los trminosarquitectura y organizacin ensentidos distintos: Arquitectura: Qu es capaz de hacer Organizacin: Cmo lo hace


Hacer una suma

:

867 X

:

778 Z

:

562 Y

:

2

1

0

1023

Memoria de 1024 8

Ejemplo:

Cmo sumar el contenido dela posicin 867 con elcontenido de la posicin 562 yalmacenar el resultado en laposicin 778?

Z X + Y

Direccin Dato


Hacer una suma

:

867

:

778

:

562

:

2

1

0

1023

Memoria de 1024 8

Ejemplo:

Cmo sumar el contenido dela posicin 867 con elcontenido de la posicin 562 yalmacenar el resultado en laposicin 778?

+

Direccin Dato


Hacer una suma

:

867

:

778

:

562

:

2

1

0

1023

Decoder & Read/Write

output

Solucin:

1. Leer en la memoria laposicin 867

Direccin 867 Read


Hacer una suma

:

867

:

778

:

562

:

2

1

0

1023Solucin:


2. Almacenar lo ledo en unregistro externo


output

AC


Hacer una suma

Solucin:




AC

:

867

:

778

:

562

:

2

1

0

1023


output

Direccin 562 Read


Hacer una suma

Solucin:




4. Sumar lo ledo con elregistro externo

AC

:

867

:

778

:

562

:

2

1

0

1023


output

sumador


Hacer una suma

Solucin:




4. Sumar lo ledo con elregistro externo

5. Almacenar la suma en laposicin 778

:

867

:

778

:

562

:

2

1

0

1023


sumador

Direccin 778 Write

input


Cmo hacer mas que una suma ?

:

867

:

778

:

562

:

2

1

0

1023Solucin general:

Usar un programaresidente enmemoria


Unidad dearitmticay lgica

Unidadde controlPrograma

......


Hacer mas que una suma

:

867

:

778

:

562

:

2

1 Programa0


El programa le dainstrucciones a laUnidad de Control

Ejemplo:

00100001 110110011significa leer en lamemoria 110110011 yalmacenar la lecturaen el registro AC de laALU.



Unidadde control



:

867

:

778

:

562

:

2

1 Programa0


El programa le dainstrucciones a laUnidad Central.

Ejemplo:




Unidadde control

Significaleer y

almacenaren AC



:

867

:

778

:

562

:

2

1 Programa0

1023

Memoria de 1024 8

Solucin general:


Ejemplo:




Unidadde control

Significa lo que sedebe leer:

110110011 = 867



:

867

:

778

:

562

:

2 :

1 1101100110 000100001



Ejemplo:




Unidadde control


Principios de la arquitectura Von Neumann:

Los datos y las instrucciones se almacenan enuna sola memoria de lectura-escritura.

Los contenidos de esta memoria sedireccionan indicando su posicin, sinconsiderar el tipo del de dato contenido en lamisma.

La ejecucin se produce siguiendo unasecuencia de instruccin tras instruccin (ano ser que dicha secuencia se modifiqueexplcitamente).


Estructura Von Neumann

MemoriaPrincipal

Unidad Aritmtico-Lgica

Unidad Central

Unidad de Entrada y

Salida

Unidad de Control


Procesador

Control Unit

Memoria

ALU

Ciclos de mquina

Paso 1. BsquedaTraer una instruccin de memoria

Paso 2. DecodificacinTraducir la instruccin a comandos

Paso 4. AlmacenamientoEscribir el resultado a memoria

Paso 3. EjecucinHacer lo debido

Cuatro pasos por ciclo de mquina


Datos en memoriaEjemplo Memoria de 1000 x 40 bit words

Binary number 2 x 20 bit instructions

0 1 39

0 8 19 20 28 39

CO Direccin CO Direccin

Signo

Nmeros

Instrucciones


Formato de instruccin

0 8 19

CO Direccin

Instrucciones

La parte del cdigo de operacin (CO, OpCode, los primeros 8bits) especifican qu instruccin ser ejecutada.

La parte de la direccin (los 12 bits restantes) especifican culde las 1000 posiciones de memoria est implicada en lainstruccin.


Instruccin de cuatro direcciones

0 8 19

CO Operando 1 Operando 2 Resultado Siguiente

Instruccin de cuatro direcciones


Instruccin de tres direcciones

0 8 19


Instruccin de tres direcciones

Se usa un contador de programa (PC) para saber cual es lasiguiente instruccin


Instruccin de dos direcciones

0 8 19


Instruccin de dos direcciones

Se usa un contador de programa (PC) para saber cual es lasiguiente instruccin Se usa un acumulador (AC) para almacenar el resultado


Instruccin de una direcciones

0 8 19


Instruccin de una direcciones

Se usa un contador de programa (PC) para saber cual es lasiguiente instruccin Se usa un acumulador (AC) para almacenar el resultadoSe usa un registro como operando


Instruccin de cero direcciones

0 8 19


Instruccin de cero direcciones

Se usa un contador de programa (PC) para saber cual es lasiguiente instruccin Se opera sobre datos en la pila (stack)


Registros tpicos de la CPU

Memory Buffer Register (MBR) Memory Address Register (MAR) Instruction Register (IR) Instruction Buffer Register (IBR) Program Counter (PC) Accumulator (AC) Multiplier Quotient (MQ)


Registros

ALU

Unidad de Control Bus de

controlBus de datos

Bus dedirecciones

Bus del sistema

Organizacin bsica de una CPU


Detalles

Partes de la CPU

Unidad Aritmtico-LgicaUnidad de controlRegistrosCaminos de datos


Detalles de la estructura

MBR:Memory Buffer Register

Contiene una palabra que debeser almacenada en la memoria, oes usado para recibir una palabraprocedente de la memoria.



MAR:Memory Adress Register

Especifica la direccin enmemoria de la palabra que va aser escrita o leda en MBR.



IR:Instruction Register

Contiene los 8 bits del cdigo deoperacin de la instruccin que seva a ejecutar.



IBR:Instruction Buffer Register

Empleado para almacenartemporalmente la instruccincontenida en la parte derecha deuna palabra en memoria.



PC:Program Counter

Contiene la direccin de la prximapareja de instrucciones que van aser captadas de la memoria.



AC y MQ:Accumulator y MultiplierQuotient

Se emplean para almacenaroperandos y resultados deoperaciones de la ALUtemporalmente. Por ejemplo, elresultado de multiplicar dosnmeros de 40 bits es un nmerode 80 bits; los 40 bits mssignificativos se almacenan en ACy los menos significativos sealmacenan en MQ.


Un procesador incluye registros visibles para el usuario yregistros de control/estado.

Registros visibles:

pueden referenciarse en las instrucciones demquina.

pueden ser:

1. Uso general2. Datos3. Direcciones4. Cdigos de condicin

Registros en CPU


cuntos registros de propsito general ?

Variable: 8, 32, 1024 Ms en RISC, menos en CISC

Si hay muy pocos registros entonces se necesitandemasiados accesos a memoria.

Muchos ms registros no reducen considerablementelas referencias a memoria y hace la CPU mscompleja.

Registros de Propsito General


De cuntos bits deben ser los registros?

Deben ser de un nmero suficiente tal que se puedanmanejar las direcciones a memoria (posiblemente condireccionamiento indirecto).

Adems deben ser capaces de manejar una palabrade datos completa (tipicamanete un entero).

A veces se combinan dos registros para conformaruno solo.

Tamao de los Registros


Registros del 68000

El Motorola 68000es un procesadorclsico en el mbitode los sistemasempotrados

Su sucesor es elPowerPC (PPC)


Registros del 68000/8086/Pentium

68000

8086

80386-Pentium


Las instrucciones de una CPU a otra difierenbastante, sin embargo en todas las CPU se puedeencontrar el siguiente conjunto de instrucciones:

1.- Instrucciones de transferencias de datos

2.- Instrucciones aritmticas

3.- Instrucciones lgicas

4.- Control de flujo

5.- Entrada / Salida

Conjunto de instrucciones


Transferir |M(X)| a ACLOAD |M(X)|00000100

Transferir M(X) a ACLOAD M(X)00000010

Transferir M(X) a ACLOAD M(X)00000001

Transferir el contenido de AC a laposicin de memoria X

STOR M(X)00100001

Transferir el contenido de laposicin de memoria X a MQ

LOAD MQ,M(X)00001001

Transferir el contenido del registroMQ a AC

LOAD MQ00001010DescripcinInstruccinCO

Instrucciones de Transferencia De Datos

Se transfieren datos entre la memoria y losregistros de la ALU o entre dos registros de laALU.


Saltar a la instruccin indicadapor la mitad derecha de M(X)

JUMP M(X,28:39)00001110

Saltar a la instruccin indicadapor la mitad izquierda de M(X)

JUMP M(X,8:19)00001101

DescripcinInstruccinCodop

Instrucciones de Salto Incondicional

Normalmente, la unidad de control ejecutainstrucciones secuencialmente en la memoria.Las instrucciones de salto pueden cambiareste orden (ej. Operaciones repetitivas).


Si AC 0 saltar a la instruccinindicada por la mitad derecha deM(X)

JUMP +M(X,28:39)00001000

Si AC 0 saltar a la instruccinindicada por la mitad izquierdade M(X)

JUMP +M(X,8:19)00001111


Instrucciones de Salto Condicional

El salto depende de una condicin, estopermite puntos de decisin.


AC AC 2RSH00010101

AC AC 2LSH00010100

[AC][MQ] AC M(X)DIV M(X)00001100

[AC][MQ] AC M(X)MUL M(X)00001011

AC AC - |M(X)|SUB |M(X)|00001000

AC AC - M(X)SUB M(X)00000110

AC AC + |M(X)|ADD |M(X)|00000111

AC AC + M(X)ADD M(X)00000101


Instrucciones Aritmticas

Son las operaciones realizadas por la ALU.


RSH = desplazar a la derecha = divisin entre dos

CK

D Q

CK

D Q

CK

D Q

CK

D Q

Cmo se implementan por hardware?


Reemplazar el campo de direccinde la derecha de M(X) por los 12bits de la derecha de AC.

STOR M(X,28:39)00010011

Reemplazar el campo de direccinde la izquierda de M(X) por los 12bits de la derecha de AC.

STOR M(X,8:19)00010010


Instrucciones de Modificacin de Direcciones

Permite que la ALU haga operaciones con lasdirecciones y las inserte en instruccionesalmacenadas en memoria. Esto permite unaconsiderable flexibilidad de direccionamientoen un programa.


CISC vs RISC

Los tiempos de ejecucin (ciclos de reloj)dependen de la instruccin

Instrucciones ms complejas necesitan msciclos

Se puede optimizar la CPU uniformizado losciclos necesarios para cada instruccin

RISC: Reduced Instruction Set Computer CISC: Complex Instruction Set Computer


Ejercicio

Escribir un programa que sume el nmeroalmacenado en la posicin 867 ms elnmero almacenado en la posicin 562. Elresultado de la suma (sin considerar acarreo)se debe almacenar en la posicin 778.


LOAD M(867) % transfiere el contenido de 867 a ACADD M(562) % AC AC + M(562)STOR M(778) % transfiere AC a la memoria 778

Ejercicio

Escribir un programa que sume el nmeroalmacenado en la posicin 867 ms elnmero almacenado en la posicin 562. Elresultado de la suma (sin considerar acarreo)se debe almacenar en la posicin 778.


LOAD M(867) 00000001 001101100011ADD M(562) 00000100 001000110010STOR M(778) 00100001 001100001010

Cmo se almacena el programa?


Ejercicio

Escribir un programa que divida el nmeroalmacenado en la posicin 867 por 8. Elresultado de la divisin (sin considerar elresto ni la parte fraccionaria) se debealmacenar en la posicin 778.


LOAD M(867) % transfiere el contenido de 867 a ACRSH % divide el acumulador entre dosRSH % divide el acumulador entre dosRSH % divide el acumulador entre dosSTOR M(778) % transfiere AC a la memoria 778

Ejercicio

Escribir un programa que divida el nmeroalmacenado en la posicin 867 por 8. Elresultado de la divisin (sin considerar elresto ni la parte fraccionaria) se debealmacenar en la posicin 778.


Ejercicio

Escribir un programa que compare el nmeroalmacenado en la posicin 867 con el nmeroalmacenado en la posicin 562. Si el primeroes menor que el segundo copiar el contenidode la memoria 500 en la memoria 501, de locontrario se almacena en 501 el contenido de867 menos el contenido de 562.


1. LOAD M(867) % transfiere el contenido de 867 a AC2. SUB M(562) % AC AC - M(562)3. JUMP +M(3,28:39) % salta si AC 0 (i.e. M(867) M(562))4. LOAD M(500) % transfiere el contenido de 500 a AC5. STOR M(501) % transfiere AC a la memoria 501

Ejercicio

Escribir un programa que compare el nmero almacenadoen la posicin 867 con el nmero almacenado en laposicin 562. Si el primero es menor que el segundocopiar el contenido de la memoria 500 en la memoria 501,de lo contrario se almacena en 501 el contenido de 867menos el contenido de 562.

En la posicin derecha de 3 debe estar almacenado 5, deesta manera la tercera instruccin salta a la direccin 5 siAC 0.


Subrutinas

Frecuentemente la misma pieza de cdigodebe escribirse varias veces en muchaspartes diferentes de un programa.

En vez de repetir el cdigo cada vez que seanecesario, hay una ventaja obvia si lasinstrucciones comunes se escriben solamenteuna vez.

Un conjunto de instrucciones comunes quepueden utilizarse en un programa muchasveces se denomina subrutina.


Subrutinas

Cada vez que la subrutina se utiliza en laparte del programa principal, se pasa alcomienzo de la subrutina.

Despus que la subrutina ha sido ejecutada,se vuelve de nuevo al programa principal.


Uso de subrutinas

Los registros y la memoria son comunes parael programa principal y para la subrutina, Ventaja: la comunicacin de los parmetros entre

el programa principal y la subrutina es simple yrpida.

Desventaja: el programador puede olvidar queciertos registros usados por en el programaprincipal no deben ser alterados en la subrutina,esto puede causar serios problemas y la deteccinde este error es difcil.


Se desea hacer un programa que realice las siguientesoperaciones:

(0100) (0100) + 5(0200) (0200) + 5(0204) (0204) + 5

Ejemplo de Subrutinas



(0100) (0100) + 5(0200) (0200) + 5(0204) (0204) + 5

La mejor solucin sera utilizando una subrutina que tengacomo parmetro una direccin X y que realice la operacin:

(X) (X) + 5

El programa principal debe cargar correctamente el registro Xy llamar a la subrutina tres veces.




(0100) (0100) + 5(0200) (0200) + 5(0204) (0204) + 5

Programa principal SubrutinaLOAD X,0100 SUM5 LOAD A,(X)CALL SUM5 ADD 5LOAD X,0200 STORE (X),ACALL SUM5 RETLOAD X,0204CALL SUM5

Qu pasa si el programaprincipal estaba usando A?




(0100) (0100) + 5(0200) (0200) + 5(0204) (0204) + 5

Programa principal SubrutinaLOAD X,0100 SUM5 PUSH ACALL SUM5 LOAD A,(X)LOAD X,0200 ADD 5CALL SUM5 STORE (X),ALOAD X,0204 POP ACALL SUM5 RET

Solucin: se usa la pila



Existe una memoria direccionada por el registro SP (stackpointer). Cmo se usa?

Cada vez que se hace PUSH X:

(SP) XSP SP + 1

Cada vez que se hace POP X:

SP SP - 1X (SP)

(es posible hacer PUSH X y luego POP Y)

Uso de la pila (Stack)


Hemos visto

Estructura bsica de una CPU Ciclo de operacin Formatos de instruccin Tipos de instrucciones Subrutinas

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