El Microprocesador (CPU).

Objetivo:

El estudiante debe:

• Analizar la arquitectura y comprender el funcionamiento de un microprocesador elemental.

• Conocer las diferentes arquitecturas desarrolladas en la evolución de los microprocesadores, puntualizando las diferencias y mejoras durante su evolución.

• Analizar y comprender la operación de las arquitecturas multinúcleo actuales.

1. Introducción:

En su forma más simple, un sistema de computadora cuenta con una unidad que ejecuta instrucciones de programas. Esta unidad se comunica con otros subsistemas dentro de la computadora, y a menudo controla su operación. Debido al papel central de tal unidad se conoce como unidad central de procesamiento, o CPU (Central Processing Unit). Dentro de muchas computadoras, un subsistema como una unidad de entrada, o un dispositivo de almacenamiento masivo, puede incorporar una unidad de procesamiento propia. Tal unidad de procesamiento, aunque es central para su propio subsistema, resulta claro que no es "central" para el sistema de computadora en su conjunto. Sin embargo, los principios del diseño y operación de una CPU son independientes de su posición en un sistema de computadora. Este trabajo estará dedicado a la organización del hardware que permite a una CPU realizar su función principal: traer instrucciones desde la memoria y ejecutarlas.

El algoritmo de solución de cualquier problema consiste en varios pasos que deben realizarse en una secuencia específica. Para implantar tal algoritmo en una computadora, estos pasos se descomponen en pasos más pequeños, cada uno de los cuales representa una instrucción de máquina. La secuencia de instrucciones resultante es un programa en lenguaje de máquina que representa al algoritmo en cuestión. El mismo enfoque general se utiliza para permitir a la computadora realizar funciones especificadas por instrucciones individuales de máquina. Esto es, cada una de estas instrucciones se ejecuta realizando una secuencia de operaciones más rudimentarias. Estas operaciones, y los medios por los cuales se generan, serán el tema principal de análisis en este trabajo.

CPU

La Unidad Central de Proceso puede ser considerada como el cerebro de la computadora. El CPU es el chip más importante de una computadora. La CPU procesa instrucciones, realiza cálculos y administra el flujo de información a través del sistema de la computadora. Además, ejecuta millones de operaciones por segundos. La CPU también se conoce como microprocesador ó procesador.

Funciones del CPU:

Sus funciones son:

1. Provee de almacenamiento en registros y acumuladores, a los diferentes datos e instrucciones a procesar.

2. Permite rápido acceso a datos almacenados y ejerce control sobre la información en localizaciones de la memoria principal.

3. Puede desarrollar operaciones aritméticas, lógicas y de control.

4. Puede manejar la entrada de datos y la salida de la información desde los dispositivos periféricos.

5. Controlar y Supervisar el sistema integral de cómputo.

6. Controlar el envió y recepción de datos desde los periféricos a las unidades de memoria.

Objetivos de la CPU

 Captar instrucciones:

Debe leer instrucciones de la memoria.

 Interpretar instrucciones:

La instrucción debe decodificarse para determinar qué acción es necesaria.

 Captar datos:

La ejecución de una instrucción puede exigir leer datos de la memoria o de un módulo de E/S

 Procesar datos:

La ejecución de una instrucción puede exigir leer datos de la memoria o de un módulo de E/S.

 Escribir datos:

Los resultados de una ejecución pueden exigir escribir datos en la memoria o en un módulo de E/S.

1.1. Arquitectura básica y sus operaciones del CPU.

Arquitectura del CPU. La unidad central de Proceso (CPU).

Estructura interna (Hardware) de un microprocesador

En el interior de un microprocesador encontramos las siguientes partes claramente definidas:

Estructura de un microprocesador

En todo procesador se distinguen básicamente dos partes:

Unidad de Control:

La unidad de control se encargada de realizar el control del proceso, es decir de generar las señales necesarias para activar los componentes de la unidad de tratamiento que actuarán sobre los datos en el instante de tiempo que corresponda.

Para su funcionamiento suele disponer de los siguientes elementos:

• Decodificador de Instrucciones.

• Registro Contador de Programa (PC).

• Registro de Instrucciones (IR).

Unidad de Tratamiento o camino de datos:

La unidad de tratamiento o camino de datos agrupa a todos los componentes capaces de manipular los datos, es decir los recursos que disponemos en el interior del procesador.

Para su funcionamiento suele disponer de los siguientes elementos:

• Unidad Aritmética Lógica (ALU).

• Registro Acumulador (ACC).

• Registros de propósito general.

Estos componentes aparecen en todos los procesadores de propósito general. En los procesadores actuales pueden existir múltiples unidades de cada uno de los recursos para aumentar el grado de paralelización al ejecutar un proceso, y de esta manera será posible ejecutar dos instrucciones simultáneamente. Además también se incluyen unidades de cálculo más especializadas en el interior del procesador que no existían en los primeros procesadores de propósito general, tal como unidades de coma flotante FPU.

Por otro lado, existen procesadores que no son de propósito general y que llamaremos procesadores de propósito específico, los cuales solamente deben realizar una tarea concreta muy especializada. En estos casos es posible simplificar alguno de los componentes o incluso eliminar parte de ellos. Por ejemplo imagínese que se diseña un procesador para detectar una secuencia de caracteres en un flujo de datos, entonces es posible realizar una unidad de control "ad hoc" de tal manera que no necesitará decodificador de instrucciones ni registros PC e IR, ya que la secuencia de instrucciones u operaciones a realizar es fija y no se necesita un programa, simplemente se puede conseguir la secuencia de operaciones a partir de una máquina de estados. El número de registros necesarios para guardar resultados parciales del proceso es pequeño y también será posible reducir el número de los registros que suelen aparecer en un procesador de propósito general.

Primera parte básica de la estructura de un microprocesador:

Unidad de control:

La unidad de control es la que supervisa la secuencia en que deben realizarse las operaciones para que se ejecute una instrucción; es decir coordina todas las actividades de la computadora y al encontrar una instrucción que involucra operaciones aritmético/lógicas pasa el control a la unidad aritmético/lógica.

La unidad de Control, como su propio nombre indica, es la encargada de controlar la operación de los componentes de la CPU, y también los elementos externos a ella, mediante el envió de señales de control. Su trabajo consiste de encargarse de:

* Controlar la secuencia de instrucciones a ser ejecutadas.

* Controlar el flujo de datos entre las diferentes partes que forman un ordenador.

* Interpretar las instrucciones.

* Regular tiempos de acceso y ejecución en el procesador.

* Enviar y recibir señales de control de periféricos externos.

* Elementos que forman parte de la unidad de control y que desempeñan tareas específicas son:

a) Decodificador de Instrucciones:

Unidad que interpreta el contenido del registro de instrucciones y permite generar las señales adecuadas para ejecutar la instrucción.

b) Decodificador de Direcciones:

Unidad que interpreta la dirección en el registro de direcciones de Memoria MAR y selecciona la posición de memoria a ser accedida.

c) Registros en la unidad de control:

Los registros son elementos de almacenamiento, donde se almacenan temporalmente valores durante la ejecución de un programa. Es decir donde se almacenan los datos durante la ejecución de la instrucción.

En la unidad de control se dispone generalmente de los siguientes registros:

1. Contador de Programa:

Guarda la dirección de la siguiente instrucción a ser ejecutada. Este registro contador indica que instrucción sigue.

2. Registro de Instrucciones:

Guarda la instrucción en curso de ejecución. Este registro de instrucción tiene la instrucción que se esta ejecutando.

3. Registro de Estado:

Mantiene información "bits de estado" o " flags" con información sobre lo que ha pasado en la operación realizada por la ALU. Este registro de estado guarda los avisos.

4. Registro de Direcciones de Memoria (MAR):

Guarda la dirección del dato que va a ser accedido en la memoria.

5. Registro de Datos de Memoria (MDR):

Guarda el dato en la memoria.

Segunda parte básica de la estructura de un microprocesador:

Unidad de Tratamiento o camino de datos:

La unidad de tratamiento o camino de datos es un conjunto de recursos en los cuales son tratados los datos. En estos recursos se realizan operaciones sobre los datos y se obtiene un resultado o bien se

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