Unidad II. Estructura y Funcionamiento de La CPU

 ING. ROSEL MUÑOZ LÓPEZ.

 ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

MÉRIDA CORTES SERGIO JAIR DE LA CRUZ CUETO A&RAHAM MOLINA HERRERA EDUARDO

1!1"#$% 1!1"#% 1!1"#$#

'TAPACHULA CHIAPAS( MÉ)ICO A 1$ DE OCTU&RE DEL *"1!'

“PERIODO: AGOSTO'DICIEM&RE *"1!”

Índice Introducción.........................................................................3

2.1.- Organización del procesador.........................................4 Figura 1: visión simplifcada de un procesador....................... 2.2. !structura de registros.................................................." Figura 2: #lasifcación #lasifcación de los registros registros de la #$%...................& #$%............. ......& Figura 3: puntero de Instrucción.............. Instrucción..........................................11 ............................11 2.2.1. 'egistros visi(les para el usuario...............................12 Figura 4: 'egistros de uso general......................................13 2.2.2. 'egistros de #ontrol ) de !stado................................1* !stado................................1* Figura *: indicadores de la +,%...........................................1 2.2.3.- !emplos !emplos de organización de de registros de #$% reales. 1" ,as Figuras : a/ ) (/........................................................ (/........................................................10 10 !n la Figura : c/...............................................................10 2.3. !l ciclo de instrucción................................................... instrucción...................................................1& 1& Figura ". #iclo de Instrucción..............................................2 Figura 0. sueda........................................ sueda............................................................. .....................2 2 2.3.1 ciclo 5etc6-decode-e7ecute.........................................22 Figura &. #iclo 5etc6-decode-e7ecute...................................23 2.3.2. 8egmentación 8egmentación de instrucciones..................................24 instrucciones.................................. 24 Figura 1.- segmentación de instrucciones.............. instrucciones...........................24 .............24 2.3.3.- #onunto de instrucciones: in strucciones: #aracter9sticas #aracter9sticas ) Funciones Funciones .........................................................................................2* 2.3.4.- odos de direccionamiento ) 5ormatos.....................2" 2.4.- #asos de estudios de #$% reales..................................31 reales.................................. 31 Figura 11: +ruitectura de los 'egistros..............................32 #onclusión.........................................................................34 i(liogra59a........................................................................3*

Introducción

En su forma más simple, un sistema de computadora cuenta con una unid unidad ad que que ejec ejecut uta a inst instru rucc ccio ione ness de prog progra rama mas. s. Esta Esta unid unidad ad 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 como unid unidad ad cent centra rall de proc procesa esami mien ento to,, o CPU CPU #entral processing Dentro o de much muchas as compu computa tado dora ras, s, un subs subsis iste tema ma como como una una unit/. Dentr unidad de entrada, o un dispositio de almacenamiento masio, puede inc incorpo orpora rarr una una uni unidad dad de proc proces esam amie ient nto o pro propia. pia. !al uni unidad dad de procesamiento, aunque es central para su propio subsistema, resulta clar claro o que que no es "cen "centr tral al"" para para el sist sistem ema a de comp comput utad ador ora a en su conjunto. #in embargo, los principios del dise$o y operación de una CPU son independientes independientes de su posición en un sistema de computadora. computadora. Este trabajo estará dedicado a la organi%ación del hard&are que permite a una una CPU CPU real reali% i%ar ar su func funció ión n prin princi cipal pal'' traer traer inst instru rucc ccio iones nes desde desde la memoria y ejecutarlas.

De igua iguall maner anera a en est este docu docume ment nto o se erá erá(( )a sec secuenc uencia ia de instrucciones resultante es un programa en lenguaje de máquina que representa al algoritmo en cuestión. El mismo enfoque general se utili%a para para permit permitir ir a la comput computado adora ra reali reali%ar %ar funcio funciones nes especi especi*ca *cadas das por inst instru rucc ccio ione ness indi indii idu dual ales es de máqu máquin ina. a. Esto Esto es, es, cada cada una una de esta estass instrucciones se ejecuta reali%ando una secuencia de operaciones más rudi rudime ment ntar aria ias. s. Esta Estass oper operac acio ione nes, s, y los los medi medios os por por los los cual cuales es se generan, serán el tema principal de análisis en este trabajo.

2.1.- Organización del procesador )a Unid Unidad ad de Proc Procesa esami mient ento o +CPU +CPU cont contro rola la el func funcio iona nami mien ento to del computador y llea a cabo sus funciones de procesamiento de datos. -recuentemente se le llama procesador. Un procesador, incluye tanto registros isibles por el usuario como registros de controlestado. )os registros isibles por el usuario pueden ser de uso general o tener una utilidad especial, mientras que los registros de control y estado se usan para controlar el funcionamiento del procesador, un claro ejemplo es el contador de programa. )lea a cabo una gran ariedad de' / Cálculos

/ Comp Compar arac acio ione ness num0r num0ric icas as / !ransf ransfer erenc encia iass de datos datos como como respu respuest esta a a las las peti petici cion ones es de los programas que están siendo ejecutados en memoria. )a CPU CPU contr control ola a las las oper operac acio iones nes bási básica cass del orde ordenad nador or eni enian ando do y recibiendo se$ales de control, direcciones de memoria y datos de un luga lugarr a otr otro de la comp comput utad ador ora a a tra tra0s 0s de un grup grupo o de cana canale less llamados 1U#. )a Unidad Central de Proceso está constituida internamente por' / )a Uni Unida dad d de de Con Contr trol ol / Unid Unidad ad 2rit 2ritm0 m0ti tico3 co3)ó )ógi gica ca %nidad +ritm;tico-,ógica +,%/ 4ecib ecibe e los los dato datoss sobr sobre e los los que que efec efect5 t5a a oper operac acio ione ness de cálc cálcul ulo o y comparaciones. !oma decisiones lógicas +determina si una a*rmación es correcta o falsa mediante reglas del algebra de 1oole y deuele luego el resultado. !odo !odo ello bajo superisión de la unidad de control. ,a %nidad de #ontrol )a unidad de control le indica al resto del sistema como llear a cabo las instrucciones de un programa. Comanda las se$ales electrónicas entre la memoria y la unidad aritm0tico3lógica, y entre el CPU y los dispositios de entrada y salida. Para ejecutar cualquier programa, cada comando del mismo se desglosa en instrucciones.

)os procesadores utili%an la segmentación de instrucciones para acelerar la ejecución. )a segmentación de cauce se puede diidir en ciclo de instrucción en arias etapas separadas que operan secuencialmente, tales como la captación de instrucción, decodi*cación de instrucción, cálc cálcul ulo o de dir direcci eccion ones es de oper operan ando do,, ejec ejecuc ució ión n de inst instru rucc cció ión n y estructura del operando resultado. 2 continuación se muestra cómo se organi%a un procesador, para esto se tiene que considerar los siguientes requisitos' Captar instrucciones:  el procesador lee una instrucción de memoria

+registro, cache o memoria principal. pr incipal.

Interpretar instrucción:  la instrucción se codi*ca para determinar qu0

acción es necesario.

Captar datos: la ejecución de una instrucción puede e6igir leer datos

de memoria o de un módulo de E#.

Procesar datos: la ejecución de una instrucción puede e6igir llear a

cabo alguna operación aritm0tica o lógica con los datos.

Escribir datos:  los resultados de una ejecución pueden e6igir escribir

datos en la memoria o en el módulo de E#.

Para Para hacer estas cosas, el procesador procesador necesita almacenar instrucciones instrucciones y datos temporalmente mientras una instrucción está ejecutándose, en otras palabras el procesador necesita una peque$a memoria interna, tambi0n llamados registros. En esta *gura se muestra una isión simpli*cada de un procesador, que indica su cone6ión con el resto de sistema, a tra0s del bus del sistema. )a 2)U llea a cabo el erdadero cálculo o procesamiento de datos. )a unidad de control controla la transferencia de datos e instrucciones as7 a dentro y as7 afuera del procesador, y el funcionamiento de la 2)U. 2demás la *gura muestra una memoria interna m7nima, que consta de un conjunto de posiciones de almacenamiento llamadas registros.

Figura 1: visión simplifcada de un procesador En esta *gura se indican los caminos de transferencia de datos y de la lógica de control, que incluye un elemento con el rotulo bus interno del procesador. !ambi0n se muestran los elementos básicos t7picos de la 2)U. 8ay que obserar la similitud entre la estructura interna del computador en su totalidad y la estructura interna del procesador. En ambos casos hay una peque$a peque$a colecc colección ión de element elementos os princi principal pales es +compu +computad tador' or' procesador, E#, memoria( procesador' unidad de control, 2)U, registros conectados por caminos de datos.

2.2. !structura de registros

#e empl emplean ean para para cont contro rola larr las las inst instru rucc ccio iones nes en ejec ejecuc ució ión, n, manej manejar ar direccionamiento de memoria y propiciar la capacidad aritm0tica. ,os registros vienen de tres tipos: datos, direcciones e 7ndice, que tiene lugar en casi todos los aspectos de la operación del CPU. El tama$o de un registro depende del CPU( los más simples tienen registros que aceptan 9 o :; bits de datos y los más complejos tienen registros de 9 o ;> bits. #lasifcación de los 'egistros 'egistro de datos: Un CPU puede funcionar con datos en uno de tres modos' entre dos registros, entre registros y una ubicación de ?emoria de acce acceso so al a%ar a%ar +42 +42? 3 4ando andom3 m32 2cces ccesss ?emo ?emory ry y entr ntre dos dos ubic ubicac acio iones nes 42?. 2?. Como Como el CPU CPU está está conec conecta tado do dire direct ctam ament ente e a los los regi registr stros, os, las las opera operaci cion ones es que que impl implic ican an dos dos regi regist stro ross son son las las más más rápidas( rápidas( las que se dan entre ubicacion ubicaciones es 42? son las más lentas. lentas. Es decir, junta dos registros, a$ade un registro a una ubicación 42?, o a$ade dos ubicaciones 42?.

ara que que un CPU CPU pued pueda a alm almacen acenar ar y 'egist 'egistro ro de direcc direccion iones: es: Para recuperar datos en 42?, debe tener la dirección de la memoria de la infor informac mación ión.. Esas operac operacion iones es que implic implican an 42? usan usan regis registr tros os de dirección de memoria. E) CPU no reali%a aritm0tica en estos registros( en cambio, los usa para ubicar datos que necesita. 'egistro de 9ndice: Un CPU no puede hacer matemáticas en registros de datos datos,, aunqu aunque e pued puede e hacerl hacerlo o indi indire rect ctam ament ente e con con un regi regist stro ro de 7ndi 7ndice ce.. @ste @ste trab trabaj aja a con con los los regis egistr tros os de dato datos, s, per permiti mitien endo do a un programa procesar hilos de información e*ca%mente. 'egistros de segmento:  Un registro de segmento tiene :; bits de longitud y facilita un área de memoria para direccionamiento conocida como segmento actual.

dos alma almace cena na la dir direcci ección ón inic inicia iall del segm segment ento o de 'egistro #s: el dos código de un programa en el registro C#. Andica la dirección de una instrucción que es buscada para su ejecución. 'egistro ?s: genera una referencia a la localidad de un byte espec7*co en el segmento de datos.

permite te la colo coloca caci ción ón en memo memori ria a de una una pila pila,, para para 'egistro 'egistro 88: 88: permi almacenamiento temporal de dirección y datos.

utili% i%a a para para algu alguna nass opera operaci cion ones es con con caden cadenas as de 'egistro 'egistro !8: se util caracteres se utili%a para el manejo de direccionamiento de memoria. 'egistros de propósito general: )os registros de propósito general son el 2B, 1B, CB, y DB, de :; bits. Cada uno de ellos se diide en dos registros de 9 bits, llamados 28 y 2), 18 y 1), C8 y C), y, D8 y D), 8 signi*cando 8igh +alto y ) signi*cando )o& +bajo, indicando la parte alta o la parte baja del registro correspondiente de :; bits. 'egistro +@: El registro 2B es el registro acumulador, es utili%ado para operaci operacione oness que implic implican an entrad entradas asali alida, da, y multip multiplic licaci ación ón y diisi diisión ón +estas dos 5ltimas en conjunto con el registro DB. 'egistro @: El registro 1B es el registro base, y es el 5nico registro de prop propós ósit ito o gener general al que que puede puede ser ser un 7ndi 7ndice ce para para dir direcci eccion onam amie ient nto o inde6ado. 'egistro #@:  El registro CB es conocido como el registro contador. Puede contener un alor para controlar el n5mero de eces que un ciclo se repite o un alor para corrimiento de bits.

egistr tro o DB es el regis egistr tro o de dato datos. s. En algu alguna nass 'egist 'egistro ro ?@: ?@: El regis operaciones se indica mediante este registro el n5mero de puerto de entradasalida, y en las operaciones de multiplicación y diisión de :; bits se utili%a junto con el acumulador 2B. 'egistros de apuntadores: )os registros #P +apuntador de pila y 1P +apu +apunt ntado adorr base base están están asoc asocia iado doss con con el regi registr stro o ## y permi permite ten n al sistema acceder a datos en el segmento de la pila. 4egis egistr tro o #P' #P' El apun apunta tado dorr de pila pila de :; bits bits está está asoc asocia iado do con con el segmento ## y proporciona un alor de despla%amiento que se re*ere a la palabra actual que está siendo procesada en la pila. 'egistro $:  El apuntador base de :; bits facilita la referencia de parámetros dentro de la pila.

Figura 2: #lasifcación de de los registros de la #$% registro de :; bits, de los cuales nuee 'egistros de (anderas: Es un registro siren para indicar el estado actual de la máquina y el resultado del procesamiento. ,os (its de las (anderas son las siguientes: OF overAoB overAoBCC des(ordamiento des(ordamiento/: /: Andica desbordamiento del bit de mayor orden despu0s despu0s de una operación aritm0tica aritm0tica de n5meros

con con sign signo o +:e +:e6i 6ist ste e oer oero o&( &( no no e6is e6iste te oer oero o& &.. Para ara operaciones sin signo, no se toma en cuenta esta bandera. eleccción de increme emento o ?F d dir irec ecci ción ón/: /: Controla la selec decr decrem emen ento to de los los regis egistr tros os #A y DA en las las oper operac acio ione ness con con cadenas de caracteres +:decremento automático( incremento. )a bandera D- se controla con las instrucciones #!D y C)D. Contro rola la el disp dispar aro o de las las inter interru rupci pcion ones es IF inte interrup rrupción/ ción/:: Cont +:habilita las interrupciones( deshabilita las interrupciones. )a interrupción no enmascarable es la 5nica que no puede ser bloqueada por esta bandera. El estado de la bandera A- se controla con las instrucciones #!A y C)A. DF trampa/: Permite la operación del procesador en modo de depuración +paso a paso.

Contie iene ne el sign signo o resul esulta tant nte e de una una oper operac ació ión n 8F s sign igno/: o/: Cont aritm0tica +positio( :negatio. EF cero/: Andica el resultado de una operación aritm0tica o de comparación +resultado diferente de cero( :resultado igual a cero. +F acarreo au7iliar' Contiene el acarreo del bit