Funcionamiento y Arquitecturas de la CPU

UNIDAD I

ELABORADO POR M.E. YESENIA CETINA

•¿CUÁL ES LA FUNCIÓN BÁSICA DE

UNA COMPUTADORA?

•¿CUÁL ES LA FUNCIÓN DEL CPU?

• La función básica de una computadora es ejecutar programas, el cual esta compuesto de un conjunto de instrucciones almacenadas en memoria.

• La CPU es la encargada de ejecutar las instrucciones especificas del programa. Para comprender esta función debe considerarse el detalle del proceso de ejecución del programa.

• Desde el punto de vista más simple, se considera el procesamiento de una instrucción en dos etapas:

• La CPU lee (busca, trae; fetch en inglés) la instrucción de memoria y la ejecuta.

• La ejecución del programa consiste en la repetición del proceso de traer y ejecutar la instrucción. Se detiene sólo si la computadora se desconecta, se produce algún error o se encuentra una instrucción que detiene la computadora.

Ciclo básico de instrucción

• Por ejemplo, suponiendo que la operación especificada consiste en sumar 2 números requeridos en 2 registros de la CPU y almacenar el resultado en un tercer registro de la CPU.

• Para efectuar esta instrucción, la CPU identificará los 2 registros y generará las señales de control adecuados para conectar los registros a la unidad de Aritmética y Lógica (ULA).

• La CPU también haría que la ULA funcione como sumadora y dirija la salida hacia el tercer registro.

• El proceso de realización que especifica una función se denomina ciclo de ejecución.

• Los nombres ciclos de búsqueda y ciclos de ejecución derivan de la naturaleza cíclica de la operación de la computadora una vez que esta empieza a funcionar repite los ciclos de búsqueda y ejecución de manera continua. Para hacer referencia a cada ciclo suele utilizar el término ciclo de máquina.

• La instrucción traída se almacena en un registro de la CPU conocido como registro de instrucción (IR instruction register).

• La CPU interpreta la instrucción y realiza la acción requerida. En general, ésta puede ser de cuatro tipos:

• CPU - Memoria: Deben transferirse datos desde la CPU a la memoria o viceversa.

• CPU - E/S: Deben transferirse datos a o desde el exterior mediante el módulo de E/S.

• Procesamiento de datos: La CPU realizará alguna operación aritmética o lógica con los datos.

• Control: Una instrucción puede especificar que la secuencia de ejecución se altere por lo que la CPU debe poner el contador de programa al valor adecuado.

ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA INTERNA DE LA CPU

Diagrama de bloques • Los bloques funcionales básicos son: la unidad de

procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el procesador de Entrada - Salida.

• Unidad de proceso central: Esta es la responsable de la interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la memoria principal se realizan a través de 2 canales funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos.

• Para introducir en la memoria, una instrucción específica, la CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la instrucción que está en esa dirección.

• Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar la operación.

REGISTRO E INSTRUCCIONES DE LA CPU

• Registros • Instrucciones • Aritmética y Lógica • Movimientos de datos • Operaciones de datos en bloque • Instrucciones de control de programa • Instrucciones de Entrada-Salida

UNIDADES FUNCIONALES• El procesador se compone de un grupo de unidades

interrelacionadas (o unidades de control). Aunque la arquitectura del microprocesador varía considerablemente de un diseño a otro, los elementos principales del microprocesador son los siguientes:

• Una unidad de control que vincula la información entrante para luego decodificarla y enviarla a la unidad de ejecución: La unidad de control se compone de los siguientes elementos: • Secuenciador (o unidad lógica y de supervisión ), que sincroniza la

ejecución de la instrucción con la velocidad de reloj. También envía señales de control:

• Contador ordinal, que contiene la dirección de la instrucción que se está ejecutando actualmente;

• Registro de instrucción, que contiene la instrucción siguiente.

UNIDADES FUNCIONALES• Una unidad de ejecución (o unidad de procesamiento), que cumple

las tareas que le asigna la unidad de instrucción. La unidad de ejecución se compone de los siguientes elementos: • La unidad aritmética lógica (se escribe ALU); sirve para la ejecución de

cálculos aritméticos básicos y funciones lógicas (Y, O, O EXCLUSIVO, etc.);

• La unidad de punto flotante (se escribe fpu), que ejecuta cálculos complejos parciales que la unidad aritmética lógica no puede realizar;

• El registro de estado; • El registro acumulador.

• Una unidad de administración del bus (o unidad de entrada-salida) que administra el flujo de información entrante y saliente, y que se encuentra interconectado con el sistema RAM;

ARQUITECTURAS DEL CPU

UNIDA I

INTRODUCCION• Hoy en día, los programas cada vez más grandes y complejos demandan mayor velocidad en el procesamiento de información, lo que implica la búsqueda de microprocesadores más rápidos y eficientes.

• Los avances y progresos en la tecnología de semiconductores, han reducido las diferencias en las velocidades de procesamiento de los microprocesadores con las velocidades de las memorias, lo que ha repercutido en nuevas tecnologías en el desarrollo de microprocesadores.

Registro Temporal de Memoria “Buffer” (MBR): Contiene una palabra que debe ser almacenada en memoria, o recibe una palabra procedente de la memoria.Registro Temporal de Instrucción (IBR): Almacena temporalmente la instrucción contenida en la parte derecha de una palabra.Registro de Instrucción (IR): Contiene el código de operación de la instrucción que se va a ejecutar.Registro de Dirección de Memoria (MAR): Especifica la dirección de memoria de la palabra que va a ser escrita o leída en MBR.Contador de Programa (PC): Contiene la dirección de la siguiente pareja de instrucciones que se traerán de memoria.Acumulador (AC) Multiplicador Cociente (MQ): Se emplean para almacenar temporalmente operandos y resultados de operaciones de la ALU.

• La meta principal es incrementar el rendimiento del procesador, ya sea optimizando alguno existente o se desee crear uno nuevo. Para esto se deben considerar tres áreas principales a cubrir en el diseño del procesador y estas son:

• La arquitectura.• La tecnología de proceso.• El encapsulado.

• La arquitectura de computadoras se refiere a los atributos de un sistema que son visibles a un programador, es decir aquellos atributos que tienen un impacto directo en la ejecución lógica de un programa.

• La tecnología de proceso, se refiere a los materiales y técnicas utilizadas en la fabricación del circuito integrado,

• El encapsulado se refiere a cómo se integra un procesador con lo que lo rodea en un sistema funcional, que de alguna manera determina la velocidad total del sistema.

• Aunque la tecnología de proceso y de encapsulado son vitales en la elaboración de procesadores más rápidos, es la arquitectura del procesador lo que hace la diferencia entre el rendimiento de una CPU (Control Process Unit) y otra.

ARQUITECTURAS CPU• Existen dos tipos mas comunes: • CISC: Su sistema de trabajo se basa en la microprogramación.

Consiste en hacer que cada instrucción sea interpretada por un miniprograma.

• RISC: Microprocesador con un conjunto de instrucciones muy reducidas en contraposición.

• Se basan en estructuras simples y por lo tanto su complejidad total de la CPU es menor.

ARQUITECTURA CISC • CISC es un modelo de

arquitectura de computadores (del inglés Complex Instruction Set Computing). Computadoras con un conjunto de instrucciones complejo.

• Los microprocesadores CISC tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos, en contraposición a la arquitectura RISC.

CISC

• La microprogramación es una característica importante y esencial de casi todas las arquitecturas CISC. Como por ejemplo:

• Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486.Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840.

• La microprogramación significa que cada instrucción de máquina es interpretada por un microprograma localizado en una memoria en el circuito integrado del procesador.

• En la década de los sesentas la microprogramación, por sus características, era la técnica más apropiada para las tecnologías de memorias existentes en esa época y permitía desarrollar también procesadores con compatibilidad ascendente. En consecuencia, los procesadores se dotaron de poderosos conjuntos de instrucciones.

• Las instrucciones compuestas son decodificadas internamente y ejecutadas con una serie de microinstrucciones almacenadas en una ROM interna. Para esto se requieren de varios ciclos de reloj (al menos uno por microinstrucción).

• Este tipo de arquitectura dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC, llamadas generalmente microinstrucciones.

• Los CISC pertenecen a la primera corriente de construcción de procesadores, antes del desarrollo de los RISC. Ejemplos de ellos son: Motorola 6800, Zilog Z80 y toda la familia Intel x86 usada en la mayoría de las computadoras personales actuales.

• Hay que hacer notar, sin embargo que la utilización del término CISC comenzó tras la aparición de los procesadores RISC como nomenclatura despectiva por parte de los defensores/creadores de éstos últimos.

CARACTERÍSTICAS DE LAS CISC

• Reduce la dificultad de crear compiladores.

• Permite reducir el costo total del sistema • Reduce los costos de creación de

software. • Mejora la compactación de código • Facilita la depuración de errores.• Muchas instrucciones potentes

CARACTERÍSTICAS DE LAS CISC

• Muchos modos de direccionamiento • Varios formatos de instrucciones • Normalmente microprogramados (no

microprogramables) • La ejecución de las instrucciones lleva

varios ciclos de máquina.

Motorola 6800Motorola 6803

Zilog Z80 A.Un Z80 en encapsulado LQFP.

INTEL - COSTA RICA

RISC• De Arquitectura computacional, RISC (del inglés),

Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducidas.

• Buscando aumentar la velocidad del procesamiento se descubrió en base a experimentos que, con una determinada arquitectura de base, la ejecución de programas compilados directamente con microinstrucciones y residentes en memoria externa al circuito integrado resultaban ser mas eficientes, gracias a que el tiempo de acceso de las memorias se fue decrementando conforme se mejoraba su tecnología de encapsulado.

• Debido a que se tiene un conjunto de instrucciones simplificado, éstas se pueden implantar por hardware directamente en la CPU, lo cual elimina el microcódigo y la necesidad de decodificar instrucciones complejas.

• En investigaciones hechas a mediados de la década de los setentas, con respecto a la frecuencia de utilización de una instrucción en un CISC y al tiempo para su ejecución, se observó lo siguiente:

• Alrededor del 20% de las instrucciones ocupa el 80% del tiempo total de ejecución de un programa.

• Existen secuencias de instrucciones simples que obtienen el mismo resultado que secuencias complejas predeterminadas, pero requieren tiempos de ejecución más cortos.

• La relativa sencillez de la arquitectura de los procesadores RISC conduce a ciclos de diseño más cortos cuando se desarrollan nuevas versiones, lo que posibilita siempre la aplicación de las más recientes tecnologías de semiconductores.

• Por ello, los procesadores RISC no solo tienden a ofrecer una capacidad de procesamiento del sistema de 2 a 4 veces mayor, sino que los saltos de capacidad que se producen de generación en generación son mucho mayores que en los CISC.

CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC

• Codificación uniforme de instrucciones (ejemplo: el código de operación se encuentra siempre en la misma posición en cada instrucción, la cual es siempre una palabra), lo que permite una decodificación más rápida.

• Estos microprocesadores siguen tomando como base el esquema moderno de Von Neumann.

• Las instrucciones, aunque con otras características, siguen divididas en tres grupos:

• a)Transferencia.b) Operaciones.c) Control de flujo.

CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC

• Reducción del conjunto de instrucciones a instrucciones básicas simples, con la que pueden implantarse todas las operaciones complejas.

• Arquitectura del tipo load-store (carga y almacena). Las únicas instrucciones que tienen acceso a la memoria son 'load' y 'store'; registro a registro, con un menor número de acceso a memoria.

CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC

• Casi todas las instrucciones pueden ejecutarse dentro de un ciclo de reloj. Con un control implantado por hardware (con un diseño del tipo load-store), base importante para la reorganización de la ejecución de instrucciones por medio de un compilador.

• Pipeline (ejecución simultánea de varias instrucciones). Posibilidad de reducir el número de ciclos de máquina necesarios para la ejecución de la instrucción, ya que esta técnica permite que una instrucción puede empezar a ejecutarse antes de que haya terminado la anterior.

CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC

• Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y así simplificar el diseño del compilador.

• Modos de direccionamiento simple con modos más complejos reemplazados por secuencias de instrucciones aritméticas simples.

• Los tipos de datos soportados en el hardware (por ejemplo, algunas máquinas CISC tiene instrucciones para tratar con tipos byte, cadena) no se encuentran en una máquina RISC.

CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC

• Además estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propósito general.

• El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria.

APLICACIONES DE LOS PROCESADORES RISC

• Las arquitecturas CISC utilizadas desde hace 15 años han permitido desarrollar un gran número de productos de software.

• Ello representa una considerable inversión y asegura a estas familias de procesadores un mercado creciente. Sin embargo, simultáneamente aumentan las aplicaciones en las cuales la capacidad de procesamiento que se pueda obtener del sistema es más importante que la compatibilidad con el hardware y el software anteriores, lo cual no solo es válido en los subsistemas de alta capacidad en el campo de los sistemas.

APLICACIONES DE LOS PROCESADORES RISC

• Esta clase de equipos se han introducido poco a poco en oficinas, en la medicina y en bancos, debido a los cada vez mas voluminosos y complejos paquetes de software que con sus crecientes requerimientos de reproducción visual, que antes se encontraban solo en el campo técnico de la investigación y desarrollo.

APLICACIONES DE LOS PROCESADORES RISC

• En este tipo de equipos, el software de aplicación, se ejecuta bajo el sistema operativo UNIX, el cual es escrito en lenguaje C, por lo que las arquítecturas RISC actuales están adaptadas y optimizadas para este lenguaje de alto nivel.

• Por ello, todos los productores de estaciones de trabajo de renombre, han pasado en pocos años, de los procesadores CISC a los RISC, lo cual se refleja en el fuerte incremento anual del número de procesadores RISC, (los procesadores RISC de 32 bits han visto crecer su mercado hasta en un 150% anual).

APLICACIONES DE LOS PROCESADORES RISC

• En pocos años, el RISC conquistará de 25 al 30% del mercado de los 32 bits, pese al aparentemente abrumador volumen de software basado en procesadores con el estándar CISC que se ha comercializado en todo el mundo.

APLICACIONES DE LOS PROCESADORES RISC

• La arquitectura MIPS-RISC ha encontrado, en el sector de estaciones de trabajo, la mayor aceptación.

• Los procesadores MIPS son fabricados y comercializados por cinco empresas productoras de semiconductores, entre las que figuran NEC y Siemens. Los procesadores de los cinco proveedores son compatibles en cuanto a las terminales, las funciones y los bits.

• Las máquinas RISC protagonizan la tendencia actual de construcción de microprocesadores. PowerPC, DEC Alpha, MIPS, ARM, ... son ejemplos de algunos de ellos.

DEC Alpha AXP 21064, un microprocesador

RISC

Microprocesador RISC R800

Microprocesador PA-RISC 7300LC

CONCLUSIONES

• Microprocesadores CISC Interpretan y ejecutan un gran número de instrucciones. Son más lentos.

• Microprocesadores RISC Interpretan y ejecutan sólo unas pocas instrucciones. Son mucho más rápidos que los microprocesadores CISC.

• Todos los microprocesadores utilizados en la fabricación de ordenadores personales, son de tecnología CISC.

• Las arquitecturas RISC y CISC son ejemplos de CPU con un conjunto de instrucciones para arquitecturas basadas en registros.

• Hay quienes consideran que en breve los microprocesadores RISC (reduced instruction set computer) sustituirán a los CISC (complex instruction set computer), pero existe el hecho que los microprocesadores CISC tienen un mercado de software muy difundido, aunque tampoco tendrán ya que establecer nuevas familias en comparación con el desarrollo de nuevos proyectos con tecnología RISC.

• Los atributos complejo y reducido describen las diferencias entre los dos modelos de arquitectura para microprocesadores solo de forma superficial. Se requiere de muchas otras características esenciales para definir los RISC y los CISC típicos. Aun más, existen diversos procesadores que no se pueden asignar con facilidad a ninguna categoría determinada.

• Así, los términos complejo y reducido, expresan muy bien una importante característica definitiva, siempre que no se tomen solo como referencia las instrucciones, sino que se considere también la complejidad del hardware del procesador.

Instrucciones +

• Con tecnologías de semiconductores comparables e igual frecuencia de reloj, un procesador RISC típico tiene una capacidad de procesamiento de dos a cuatro veces mayor que la de un CISC, pero su estructura de hardware es tan simple, que se puede realizar en una fracción de la superficie ocupada por el circuito integrado de un procesador CISC.

• Esto hace suponer que RISC reemplazará al CISC, pero la respuesta a esta cuestión no es tan simple ya que:

• Para aplicar una determinada arquitectura de microprocesador son decisivas las condiciones de realización técnica y sobre todo la rentabilidad, incluyendo los costos de software.

• Las APUs AMD Fusion Llano están muy cerca de llegar al mercado y gracias a las últimas filtraciones acabamos de conocer el procesador para portátil más potente de la nueva gama. Se trata del Fusion A8-3530MX.

• El chip A8-3530MX está fabricado en tecnología de 32nm, dispondrá de 4 núcleos de proceso trabajando a 1,9 GHz y con la posibilidad de Turbo, para tareas monohilo que le permite escalar hasta 2,6 GHz. Integra también el chip gráfico Radeon HD 6620G que trabaja a 444 MHz, una frecuencia más contenida que el de la Radeon H 6310, pero dispone de 400 shaders.

• Fusion A8-3530MX utiliza el nuevo encapsulado FS1 y dispone de un TDP de 45W, lo normal para procesadores de portátil de gama alta. El procesador soportará memorias DDR33 de hasta 1.600 MHz y funcionará junto con los chipsets A60M y A70M.

• IA acaba de anunciar el lanzamiento de VIA QuadCore un procesador multinúcleo de bajo consumo, de hecho la compañía lo ha bautizado como el chip de cuatro núcleos de menor consumo del mercado.

• El chip es muy eficiente energéticamente hablando y promete un rendimiento interesante para aplicaciones multitarea, multimedia y de productividad.

• VIA QuadCore Processor tiene un consumo TDP de 27,5 W trabajando a 1,2 GHz, siendo un 21% más eficiente que los competidores más cercanos. El chip VIA combina cuatro núcleos Isaiah, de hecho son dos dies de dos núcleos cada uno que comparten 4 Mbytes de caché L2 y disfrutan de Adaptative Overclocking y bus V4 a 1.333 MHz.

• La Institución Smithsonian , dice TI ingenieros Gary Boone y Cochran Michael logró crear la primera microcontrolador (también llamada microprocesador) en 1971.

•POR SU ATENCIÓN GRACIAS!!!

:D