Arquitectura Del Computador

ÍNDICE

1. ORGANIZACIÓN BÁSICA Y DISEÑO DEL COMPUTADOR

2.1 CÓDIGO DE INSTRUCCIONES. INSTRUCCIÓN DEL COMPUTADOR. CONTROL Y SINCRONIZACIÓN DE TIEMPO.

2.2 EJECUCIÓN DE INSTRUCCIONES. ENTRADA/SALIDA E INTERRUPCIONES

2.3 DISEÑO DEL COMPUTADOR.

2. DISEÑO LÓGICO DE PROCESADORES.

3.4 ORGANIZACIÓN DEL PROCESADOR. UNIDAD ARITMÉTICO-LÓGICA.

3.5 DISEÑO DE PROCESADORES: DISEÑO DE UN CIRCUITO ARITMÉTICO. DISEÑO DEL CIRCUITO LÓGICO. DISEÑO DE UNA UNIDAD LÓGICA ARITMÉTICA. REGISTRO DE CONDICIÓN. DISEÑO DE UN REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO.

3.6 UNIDAD PROCESADORA. DISEÑO DEL ACUMULADOR.

INTRODUCCIÓN

Una computadora tiene todos los componentes funcionales que se encuentran en sistemas grandes, está organizada para ejecutar funciones de entrada, almacenamiento, salida, control y operaciones aritmético-lógicas. También las pequeñas computadoras o microcomputadoras de aplicación especial tienen todas éstas aplicaciones dentro de una tarjeta de circuito o tarjeta matriz guiada por la ULA.

Se puede decir que una computadora está organizada mediante sus registros tanto internos, como los códigos de instrucciones, estructura de control y temporización y la secuencia de operaciones de tal manera, que se realice un procesamiento sobre un conjunto de datos de entrada, obteniéndose un conjunto de datos de salida, formada en un sistema de procesadores interconectados, memorias y dispositivos de entrada/salida que permiten efectuar rápidamente cualquier operación que se le asigne.

El número de instrucciones disponibles en un computador y su eficiencia en resolver el problema entre manos, es una buena indicación de lo bien que el diseñador del sistema previó la aplicación que se requería de la máquina.

1. ORGANIZACIÓN BÁSICA Y DISEÑO DEL COMPUTADOR

* DISEÑO DE UN COMPUTADOR

Las computadoras están estructuradas según un modelo básico de funcionamiento que describe la interacción que se realiza entre los elementos que la componen, estos son hardware, software y el elemento humano.

* ORGANIZACIÓN BÁSICA

La arquitectura de una computadora es el conjunto de registros e instrucciones que debe conocer un programador para utilizarla.

La organización de una computadora se define mediante sus registros internos, la estructura de temporización y control y la secuencia de micro-operaciones que ejecuta sobre los datos almacenados en sus registros.

Elemento físico (hardware): hard (duro) y ware (equipo). Constituye todo el equipo duro del computador, la parte tangible o perceptible. Elemento lógico (software): soft (suave) y ware (equipo). Constituye la parte imperceptible o intangible. Está formado por los programas del computador, siendo el principal el del sistema.

1.1 CÓDIGO DE INSTRUCCIÓN. INSTRUCCIÓN DEL COMPUTADOR CONTROL Y SINCRONIZACIÓN DE TIEMPO.

* CÓDIGO DE INSTRUCCIÓN

Un sistema digital se define por las operaciones que puede realizar. Cuando estas operaciones son fijadas de manera que solo puede ejecutar las mismas operaciones una y otra vez de manera secuencial entonces hablamos de un sistema digital de propósito especial. Cuando la secuencia de las operaciones que realizará nuestro sistema digital se puede modificar para que realice las tareas que deseamos en ese momento, entonces tenemos un sistema digital de propósito general. Los microprocesadores son sistemas digitales de propósito general puesto que cuentan con una lista de instrucciones que pueden realizar en el orden que nosotros deseemos. Este orden de instrucciones es lo que se conoce como programa. Estos grandes programas están hechos con un lenguaje fácil de interpretar y comprender para los seres humanos. Sin embargo, hablando del lenguaje de microprocesadores, solo podemos manejar códigos binarios. Para realizar una multiplicación tenemos el código 1110, para la suma 1100, etc. Con cuatro bits podemos referir hasta 16 códigos de instrucciones. Para el microprocesador de una computadora son pocas 16 instrucciones, pero para nuestro procesador serán suficientes. Comenzaremos con cuatro instrucciones:

* LEE: Saca de la memoria el contenido que está en la dirección DIR y se lleva el registro A.

* GUARDA: Guarda el contenido del registro A en la dirección de memoria DIR.

* SALTA: Continua la ejecución de las instrucción que se encuentra en DIR.

* OPERA: Realiza la operación aritmética lógica que es codificada por tipo entre el contenido del registro A y el operando OP. En ocasiones como la nuestra es necesario proporcionar no solo el código de operación que se desea hacer sino también alguna información extra como son los operandos o las direcciones de los operandos.

Para nuestra instrucción LEE es necesario el código de instrucción y la dirección de la memoria que se desea leer. En la siguiente tabla se muestra cada una de las instrucciones y sus operandos necesarios. Cabe recalcar que los códigos de operación son propuestos, podrían ser cualquier combinación binaria de cuatro bits, pero para fines del diseño de nuestro microprocesador estos códigos son fáciles y prácticos.

* INSTRUCCIÓN DEL COMPUTADOR.

Cada formato de la computadora tiene 16 bits. La parte del código de operación de la instrucción contiene tres bits y el significado de los 13 bits restantes depende del código de operación que se encuentre. Una instrucción de referencia a memoria utiliza 12 bits para especificar una dirección y 1 bit para especificar el modo de direccionamiento es igual a O para una dirección directa y a 1 para una dirección indirecta. Las instrucciones de referencia a registros se reconocen mediante el código de operación 111 con un O en el bit de la extrema izquierda (bit 15) de la instrucción. Una instrucción de referencia al registro especifica una operación o una prueba del registro AC. No se necesita un operando de la

Memoria, por lo tanto los otros 12 bits se utilizan para especificar la operación o prueba que se va a ejecutar. De igual forma, una instrucción de entrada-salida no necesita una referencia a memoria y se reconoce por el código de operación 111 con 1 en el bit de la extrema izquierda de la instrucción. Los 12 bits restantes se utilizan para especificar el tipo de operación de entrada-salida o la prueba ejecutada.

El tipo de instrucción se reconoce mediante el control de computadora de los cuatro bits en las posiciones de la 12 a la 15 de la instrucción. Si los tres bits del código de operación en las posiciones de la 12 a la 14 no son iguales a 111, la instrucción es del tipo de referencia a memoria y el bit de la posición 15 se toma como el modo de direccionamiento 1. Sí el código de operación de 3 bits es igual a 111, el control revisa el bit en la posición 15. Si este bit es O, la instrucción es del tipo de referencia a registro. Si el bit es 1, la referencia es del tipo de entrada-salida. Nótese que el bit de la posición 15 del código de instrucción está representado mediante el símbolo 1, pero no se utiliza como un bit de modo cuando el código de operación es igual a 111.

Sólo se utilizan tres bits de la instrucción para el código de operación. Puede parecer que la computadora está limitada a un máximo de ocho operaciones distintas. Sin embargo, como las instrucciones con referencia a registro y de entrada-salida utilizan los 12 bits restantes como parte del código de operación, la cantidad total de instrucciones puede exceder de ocho. De hecho, el número total de instrucciones escogidas para la computadora básica es igual a 25.

* CONTROL Y SINCRONIZACION DE TIEMPO

Todas las operaciones del computador están sincronizadas por un generador de tiempo maestro cuyos pulsos de reloj se aplican a todos los flip flops del sistema además está disponible cierto número de variables de tiempos en la unidad de control para darle secuencia a la operación en el orden adecuado esas variables se designan t0, t1, t2, t3… Los pulsos de reloj ocurren una vez cada microsegundo y se asume que los disparos de los flip flops cada variable de tiempo es de un microsegundo y ocurre una vez cada 4 microsegundos.

1.2 EJECUCION DE INSTRUCCIONES. ENTRADA-SALIDA E INTERRUPCIÓN.

* EJECUCIÓN DE INSTRUPCIONES

El procesador lee una instrucción de la memoria, al comienzo de cada Ciclo de instrucción. Se cuenta con un contador de programas (PC program counter), que lleva la cuenta de cuál es la próxima instrucción a leer.

Luego de leer cada instrucción el procesador incrementara el PC, de manera tal que la siguiente instrucción a leer será; la que se encuentra en la dirección inmediatamente superior de la memoria. La instrucción leída es cargada en el registro de instrucción (IR instrucción register), que es un registro del procesador.

El procesador interpreta la instrucción, la cual está en forma de código binario, que especifica la acción que el procesador llevará a cabo, y realizará la acción requerida.

Las acciones que se realizan para la lectura y ejecución de instrucciones se pueden clasificar en las siguientes categorías:

* Procesador-memoria: los datos se transfieren del procesador a la memoria o viceversa.

* Procesador E/S: los datos se transfieren desde o hacia un dispositivo periférico. Se realiza la transferencia entre el procesador y un módulo de entrada-salida.

* Tratamiento de datos: el procesador puede realizar alguna operación aritmética o lógica sobre los datos.

* Control: la secuencia de ejecución

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