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8/18/2019 Capítulo 1- Introducción - Departamento de Electrónica y Automática
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ICAIdea
Estructura de Computadores
Capítulo 1: Introducción.
José Daniel Muñoz Frías
Universidad Pontificia Comillas. ETSI ICAI.
Departamento de Electrónica y Automática
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 1
ICAIdea
Índice
1. Niveles de estudio del ordenador.
2. Descripción del computador.
3. Ciclo de ejecución.
4. Estructura de un computador elemental.
5. Análisis/diseño de un ordenador.
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 2
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Niveles de estudio del ordenador
Arquitectura de computadores: Estudia “los
atributos de un sistema [computacional] talcomo son vistos por el programador”. Define:
• El juego de instrucciones y cómo secodifican.
• Los registros internos.
• Los tipos de datos: enteros, coma flotante. . .• Los modos de direccionamiento.
• El tratamiento de excepciones.
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 3
• Esta definición es la primera realizada sobre la arquitectura de ordenadores,
aparecida en el artículo: Architecture of the IBM system/360 (Amdahl et al., 1964).1
Otra manera de expresarlo es decir que la arquitectura define qué hace un ordenador.
• El juego de instrucciones está formado por todas las instrucciones que es capaz de
ejecutar el ordenador. Estas instrucciones se codifican como números binarios.
• Los registros internos también están definidos por la arquitectura. Por ejemplo la
arquitectura MIPS define 31 registros de propósito general de 32 bits y varios de uso
específico por la CPU. La arquitectura IA-32 (Pentium) define en cambio sólo 8
registros de propósito general de 32 bits.• El tipo de datos soportados varía de una arquitectura a otra. Por ejemplo, los
microcontroladores de 8 bits soportan sólo enteros de 8 bits. En cambio los
microprocesadores de altas prestaciones de 32 bits (p. ej. Pentium) soportan enteros
de 8, 16 y 32 bits, números en coma flotante de 64 bits, etc.
• Los modos de direccionamiento definen los distintos métodos para acceder a la
memoria por parte de la CPU. Por ejemplo, la dirección que se desea acceder puede
estar contenida en un registro interno, en la propia instrucción. . .
• El tratamiento de excepciones define qué hace un ordenador cuando ocurre un error
interno (por ejemplo al dividir por cero), cuando ejecuta una instrucción no definida,
cuando recibe una interrupción externa, etc.
1Por programador se entiende el programador en lenguaje ensamblador. No obstante hay
aspectos de la arquitectura que sí pueden interesar al programador de alto nivel, como son los
tipos de datos soportados por la máquina o el tratamiento de excepciones.
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Niveles de estudio del ordenador
Organización de computadores: Estudia cómo se
implanta una arquitectura mediante circuitosdigitales. Define
• Con qué unidades funcionales se implanta laarquitectura.
• Cómo se implanta cada una de estas
unidades.• Cómo es el flujo de datos entre unidades.
• Cómo se controlan.
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 4
• Es decir, la organización de un computador define cómo éste realiza sus funciones.
• Una misma arquitectura se puede implantar de varias maneras. Por ejemplo si se
desea mayor velocidad se pueden usar dos ALUs para poder efectuar dos
operaciones en paralelo, lo cual implica mayor velocidad, aunque también un mayor
coste.
• Una misma unidad funcional se puede implantar de distintas formas. Por ejemplo un
sumador se puede implantar con propagación de acarreo (lento pero barato) o con
predicción de acarreo (rápido pero caro).
• El flujo de datos especifica cómo se mueven los datos entre las distintas unidades del
ordenador.
• Para controlar las unidades se usa la unidad de control, que puede implementarse
como una máquina de estados (control cableado) o con un secuenciador (control mi-
croprogramado).
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Niveles de estudio del ordenador
Realización del computador: Estudia la
tecnología con la que se implanta físicamenteuna organización concreta. Por ejemplo usando:
• Componentes discretos para la CPU.
• CPU en un solo chip: Microprocesador.
• Tecnología de fabricación de 130 nm a
90 nm.• Técnicas de encapsulado y de refrigeración.
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 5
• La construcción de la CPU mediante componentes discretos está en la actualidad
totalmente obsoleta.
• Las tecnologías de fabricación de los circuitos integrados se definen por el ancho de
canal de los transistores que es posible fabricar. Cuanto menor sea el ancho del
canal, más rápido conmuta el transistor y por tanto puede funcionar a una frecuencia
de reloj mayor. En la actualidad la tecnologías de fabricación de los
microprocesadores de altas prestaciones oscila entre 0,25 µm y 0,13 µm.
• El límite fundamental de la frecuencia de operación es la capacidad de evacuar el
calor generado en el chip, el cual es proporcional a la frecuencia de reloj. Por tanto
un mismo chip mejor refrigerado puede funcionar a mayor frecuencia (overclocking).
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Niveles de estudio del ordenador
En resumen:
• Una misma arquitectura puede tenerdistintas organizaciones.
• Una misma organización puede tenerdistintas realizaciones.
Por ejemplo:
• Arquitectura: IA-32
• Organizaciones: 8086, 80286 . . . Pentium 4
• Realizaciones Pentium 4: de 2.4 a 3.4 GHz
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• El ejemplo propuesto no es del todo cierto, ya que Intel ha introducido mejoras en la
arquitectura en los sucesivos modelos. Por ejemplo, a partir del Pentium MMX se
añadieron nuevas instrucciones para soporte multimedia junto con 8 registros de 64
bits accesibles por estas nuevas instrucciones. A pesar de esto, la compatibilidad
hacia arriba está garantizada, es decir, un Pentium 4 fabricado hoy es capaz de
ejecutar un programa escrito en 1978 para el 8086.
• Otro ejemplo de arquitectura es la del IBM System/360, nacida en 1964 y que ha
evolucionado hasta los sistemas S/390 de la actualidad.
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Descripción del computador
Un computador es un sistema complejo
organizado como una jerarquía de subsistemasinterrelacionados. De cada nivel interesaestudiar:
• El funcionamiento.
• La estructura.
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La organización jerárquica es imprescindible a la hora de estudiar y diseñar sistemas
complejos. Cada nivel consta de una serie de subsistemas interrelacionados de los que sólo se
necesita un modelo simplificado. De esta forma la complejidad de cada nivel es abordable. Por
ejemplo, en un programa en C la función main() consta de varias funciones, de las que sólo
hace falta conocer lo que hacen y cuales son sus argumentos. A su vez cada función necesitará
llamar a otras funciones de las que sólo necesita conocer su cometido y sus argumentos. . .
Para estudiar cada nivel es necesario conocer:
• El funcionamiento: Es la operación de cada componente individual como parte de la
estructura.• La estructura: Es el modo en que cada uno de los componentes están interrelaciona-
dos.
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Función de un computador
• Procesar datos ->Cálculos.
• Almacenar datos ->Bases de datos.
• Transferir datos ->Comunicaciones.
Entonces:
• Una calculadora.
• Un radio-cassette.• Un teléfono.
¿Son computadores?
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 8
Los ordenadores se utilizan para todo tipo de tareas. Sin embargo, cada una de estas
tareas incluye una o varias de estas funciones:
• Procesar datos. Es la función para la que nacieron los primeros computadores.
Veremos en esta asignatura que los datos del mundo real se modelan como entidades
codificadas en binario sobre las cuales se realizan una serie de operaciones básicas.
• Almacenar datos. La primera idea que se viene a la cabeza es la de un gran sistema
de bases de datos. Sin embargo hasta los computadores empotrados (p. ej. el ABS de
un coche) cuya función principal no es el almacenamiento de datos, necesitan un
almacenamiento temporal para guardar los resultados intermedios de sus cálculos.
•
Transferir datos. Antes de procesar datos, el computador necesita adquirir dichos da-tos desde el exterior. De la misma forma necesita enviar los resultados de sus cálculos
al exterior. Para ello usa una serie de dispositivos periféricos conectados a su sistema
de entrada/salida. Además, cada día tienen mayor importancia las comunicaciones.
En ellas los computadores tienen un papel fundamental como enrutadores de datos,
conversores de protocolo, etc.
Según lo anterior cabe preguntarse si una calculadora sencilla (+, -, *, /) es un com-
putador, pues es capaz de procesar datos. De la misma forma un radio cassette es capaz de
almacenar datos en una cinta magnética y un teléfono permite realizar una comunicación.
Todos estos sistemas tienen en común el estar compuestos de un conjunto de subsistemas
interrelacionados que les permite realizar su función, junto con un sistema de control que los
gobierna. La diferencia entre la calculadora, el radio cassette y el teléfono y un ordenadores que en los tres primeros el control es fijo, mientras que en el ordenador el control es
programable, lo que le permite solucionar cualquier problema que pueda resolverse con sus
unidades funcionales.
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Estructura de un computador
de
Control
CPU
Datos Datos
Memoria
E/S
Instrucciones
Camino
Datos
Señales
de control
Señales
de datos
Arquitectura de von Newmann.
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• La función de almacenamiento de datos se realiza en la memoria. (En realidad
también se realiza en los dispositivos de almacenamiento como discos, cintas, etc.
Dichos dispositivos se conectan al sistema de entrada/salida).
• El proceso de datos se realiza en el camino de datos. Dicho camino de datos está
formado por una o varias ALU ( Arithmetic-Logic Unit ), registros para almacenar
datos temporales, unidades de punto flotante, etc.
• La transferencia de datos se realiza en el sistema de entrada y salida (E/S). De esta
forma es posible la comunicación con el exterior para la entrada de datos y
programas y la salida de resultados.
• Todo el sistema está controlado por la unidad de control. El comportamiento de la
unidad de control viene dado por el programa, que se almacena también en la memo-
ria.
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Ciclo de ejecución
Ejecución
Inicio
Parada
Captura
Instrucción
¿Parar?
No
Si
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 10
El funcionamiento del computador viene dado por el diagrama de flujo mostrado en la
transparencia:
• Cuando se conecta el ordenador, éste comienza a leer instrucciones de memoria
(captura instrucción) y a ejecutarlas (ejecución).
• El ciclo captura-ejecución continúa hasta que se desconecta el ordenador.
• No obstante, en los ordenadores primitivos existía una instrucción de stop que
paraba el programa y avisaba al operador (con una campana en el caso del EDVAC)
para que este cargase el siguiente programa. Hoy en día dicho modo de
funcionamiento está totalmente obsoleto. Los ordenadores actuales están
continuamente ejecutando múltiples procesos, incluso de varios usuarios
(multiproceso y multiusuario), con lo que no tiene sentido parar la CPU cuando un
programa termina; sino devolver el control al sistema operativo para que ejecute otro
proceso (esto es lo que hace la función exit() de C).
• A pesar de esto, muchos ordenadores disponen de instrucciones especiales (llamadas
halt, idle, stop. . . ) que hacen que se pare la ejecución y la CPU entre en un modo de
bajo consumo. La ejecución de instrucciones se reanuda cuando se produce alguna
petición de entrada/salida (p. ej. una llamada por modem, la pulsación de una tecla,
etc.).
• ¿Qué ocurre cuando se produce un error (p. ej. una división por 0)? En estos casos
la CPU detecta esta condición y ejecuta una función específica para tratar este error.
Por ejemplo, puede terminar el programa y dar un mensaje de error al usuario. A este
proceso se le denomina tratamiento de excepciones.
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Ciclo de ejecución detallado
Cálculo Dir.
Dato
Decodificar
Instrucción
Operación
Instrucción
Captación
Dato
VariasPalabras
Cálculo Dir.
Resultado
Almacenar
Resultado
VariasPalabras
Cálculo Dir.
Instrucción
Captación
Instrucción
Operaciones
Acceso a
Memoria
CPU
Ciclo deCaptación
Ciclo deEjecución
Instrucción vectorial
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 11
El diagrama de la figura representa el ciclo de instrucción de un ordenador en mayor
detalle. El ciclo representado es el de la instrucción más compleja de un computador CISC.1 Las
instrucciones más simples sólo emplean algunas de las etapas de las mostradas.
• En primer lugar se calcula la dirección de la siguiente instrucción. Como los
programas se almacenan en memoria de forma que las instrucciones del programa
están situadas consecutivamente, dicho cálculo consiste en la mayoría de los casos
en incrementar un contador. La excepción a esta regla se da en las instrucciones de
salto.
• A continuación se lee la instrucción de memoria y se almacena en un registro internode la CPU.
• Una vez obtenida la instrucción se puede pasar a su decodificación para averiguar
qué hay que hacer a continuación.
• Si la instrucción necesita traer datos de memoria se realiza un ciclo de cálculo de
dirección, lectura de la memoria y almacenamiento en un registro interno. Si el dato
ocupa más de una palabra, será necesario repetir este ciclo varias veces hasta leer
todas las palabras que componen el dato. Por otro lado, existen ordenadores que
disponen de instrucciones que usan varios datos de memoria. En este caso, también
será necesario repetir estas dos etapas tantas veces como sea necesario.
1Complex Instruction Set Computer . Este tipo de ordenadores se caracterizan por tener un
gran conjunto de instrucciones heterogéneas que realizan labores complejas. Por heterogé-
neas se entiende de distintos formatos y tamaños.
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• Una vez que la CPU tiene todos los datos, puede pasar a ejecutar la operación
demandada por la instrucción y generar el resultado, el cual se guarda en un registro
interno.
• Por último, el resultado obtenido puede ser escrito en memoria. En este caso se
realiza un ciclo de cálculo de dirección y escritura en memoria del resultado. En este
caso, si el resultado ocupa más de una palabra, será necesario repetir el ciclo de
escritura.• Existen ordenadores que disponen de instrucciones que realizan una misma operación
sobre un vector de datos. En este tipo de instrucciones, después de obtener el resultado
se lee el siguiente elemento del vector para realizar una nueva operación. En caso
contrario, la ejecución continúa con la siguiente instrucción.
Existe una alternativa más simple, que es la adoptada por las máquinas RISC.2 Dicha alternativa
consiste en permitir instrucciones con un ciclo más homogéneo. En el caso del MIPS, que
es el procesador que usaremos en el laboratorio, en lugar de existir un ciclo complejo como
2 Reduced Instruction Set Computer . Este tipo de ordenadores se caracterizan por tener un
conjunto de instrucciones reducido y homogéneo que realizan labores muy simples de forma
muy eficiente. Por juego de instrucciones homogéneo se entiende de tamaño fijo y de formato
regular. Con esta filosofía de diseño se consiguen circuitos más pequeños y más eficientes. El
único inconveniente es que los programas necesitan más instrucciones, aunque debido al bajo
coste de la memoria esto no es ningún problema hoy en día (salvo en sistemas empotrados
con restricciones de memoria); sobre todo porque el resultado es un sistema con mejores
prestaciones (Patterson y Hennessy, 2000).
el estudiado, del cual unas instrucciones utilizan todas las etapas y otras sólo unas cuantas;
existen sólo 4 ciclos básicos de instrucción que además son muy parecidos entre ellos:
• Ciclo de lectura de memoria.
• Ciclo de escritura de memoria.
• Ciclo de operación.
• Ciclo de salto.
Esto hace que todas las instrucciones sean muy parecidas y como consecuencia el sistema
se puede paralelizar fácilmente. Por el contrario, en un computador CISC, unas instruccio-
nes tienen un operando de memoria, otras dos, otras ninguno. . . lo cual hace que el ciclo de
ejecución de cada instrucción sea distinto, siendo entonces más difícil su paralelización.
En las siguientes transparencias se detallan los ciclos de instrucción del procesador
MIPS.
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Ciclos de ejecución del MIPS
Cálculo Dir.
Dato
Decodificar
Instrucción
Captación
DatoVarias
Palabras
Cálculo Dir.
Instrucción
Captación
Instrucción
Operaciones
Acceso a
Memoria
CPU
Ciclo deEjecución
Ciclo deCaptación
Ciclo de lectura de memoria.
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 12
ICAIdea
Ciclos de ejecución del MIPS
Almacenar
Dato
VariasPalabras
Cálculo Dir.
Instrucción
Captación
Instrucción
Operaciones
Acceso a
Memoria
CPU
Ciclo de
Ejecución
Decodificar
Instrucción
Cálculo Dir.
Dato
Ciclo deCaptación
Ciclo de escritura en memoria.
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 13
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Ciclos de ejecución del MIPS
Decodificar
Instrucción
Cálculo Dir.
Instrucción
Captación
Instrucción
Operaciones
Acceso a
Memoria
CPU
Operación
Instrucción
Ciclo deEjecución
Ciclo deCaptación
Ciclo de operación o salto.
Estructura de Computadores Capítulo 1: Introducción.– p. 14
El MIPS tiene un banco de 31 registros internos, lo que le permite almacenar variables
y resultados intermedios para operar con ellos sin necesidad de acceder a memoria. Esto
permite una mayor velocidad de operación, ya que el acceso a los registros es mucho más
rápido que el acceso a la memoria y además de esta forma mientras está realizando la opera-
ción puede estar leyendo la siguiente instrucción de memoria, lo cual hace que aumenten las
prestaciones enormemente.
En resumen la filosofía RISC es cargar los datos que necesitemos para realizar la ope-
ración en los registros del procesador y a continuación realizar las operaciones pertinentes.
Cuando se obtengan resultados que es necesario guardar se realiza una operación de escritura
para almacenarlos en la memoria principal.
Por último indicar que las operaciones de salto lo único que hacen es “informar” a la
etapa de cálculo de la dirección de la instrucción que la siguiente instrucción a ejecutar está
en la dirección a la que se desea saltar.
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Estructura de un computador elemental
Reg. 1
Reg. 2
RDIMR. Est
R. I.
Unidad
de control
Acc C.P.
RDAM
Memoria
Bus Interno (Datos y direcciones)
Bus de Direcciones
Bus de Datos
ALU
CPU
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En la transparencia se muestra un diagrama de bloques simplificado de un ordenador
elemental con arquitectura von-Newmann. No se ha incluido la unidad de entrada/salida para
no complicar en exceso en diagrama. La función de cada elemento es:
• C.P. es el contador de programa. Contiene la dirección de la siguiente instrucción del
programa.
• R.I. es el registro de instrucción. Almacena la instrucción que se está ejecutando en
este momento.
•
Reg. 1 y Reg. 2 son dos registros para almacenar temporalmente los operandos de laALU.
• ALU es la unidad aritmético lógica. Esta unidad es la encargada de realizar todas las
operaciones del ordenador. La elección de la operación a realizar la realiza la unidad
de control en función de la instrucción que se esté ejecutando.
• Acc es el acumulador. Su función es almacenar el resultado de la ALU para que
pueda ser usado posteriormente.
• R. Est. es el registro de estado. Almacena en una serie de indicadores sobre el
resultado de la operación de la ALU (p. ej. si ha ocurrido un rebose).
• RDIM es el registro de dirección de memoria. Como su propio nombre indica,
almacena la dirección de la palabra que se desea leer de la memoria.
• RDAM es el registro de datos de memoria. Contiene el dato leído o escrito en el
último acceso a memoria.
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• Unidad de control. Es el “cerebro” del sistema. Se encarga de decodificar la
instrucción almacenada en el R.I. y generar las señales de control (µ-ordenes) que
gobiernan el resto de elementos de la CPU.
• Bus Interno. Está compuesto por una serie de conexiones que comunican entre sí a
todos los elementos de la ruta de datos de la CPU. En este caso elemental el mismo
bus permite transportar tanto direcciones como datos. En CPUs más complejas
existen varios buses internos de forma que se puede conseguir mayor grado deparalelismo.
• Bus de Direcciones. Es un bus que permite enviar a la memoria la dirección a la que
la CPU desea acceder.
• Bus de Datos. Es un bus bidireccional que permite a la CPU leer o escribir datos en
la memoria.
• Memoria. Permite almacenar tanto el programa como los datos. Se organiza como un
vector de n palabras. Necesita una señal de control denominada R/W, que proviene
de la unidad de control, para indicar si el acceso es de lectura o de escritura.
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Referencias
Amdahl, G. M., Blaauw, G. A., y Brooks Jr., F. P. (1964). Architecture of the IBM Sys-
tem/360. IBM Journal Of Research And Development , 8(2). Disponible on-line en:
http://www.research.ibm.com/journal/rd/441/amdahl.pdf.
Patterson, D. A. y Hennessy, J. L. (2000). Estructura y diseño de computadores. Interficie
circuitería/programación. Reverté.
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