2.1 Organización del procesador

2.1 Organización del procesador.

La Unidad de Procesamiento (CPU) controla el funcionamiento del computador y lleva a cabo sus funciones de procesamiento de datos. Frecuentemente se le llama procesador.

Un procesador, incluye tanto registros visibles por el usuario como registros de control/estado. Los registros visibles 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.

Lleva a cabo una gran variedad de:

• Cálculos

• Comparaciones numéricas

• Transferencias de datos como respuesta a las peticiones de los programas que están siendo ejecutados en memoria.

La CPU controla las operaciones básicas del ordenador enviando y recibiendo señales de control, direcciones de memoria y datos de un lugar a otro de la computadora a través de un grupo de canales llamados BUS.

La Unidad Central de Proceso está constituida internamente por:

• La Unidad de Control

• Unidad Aritmético-Lógica

Unidad Aritmético-Lógica (ALU)

Recibe los datos sobre los que efectúa operaciones de cálculo y comparaciones. Toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es correcta o falsa mediante reglas del algebra de Boole) y devuelve luego el resultado. Todo ello bajo supervisión de la unidad de control.

La Unidad de Control

La unidad de control le indica al resto del sistema como llevar a cabo las instrucciones de un programa. Comanda las señales electrónicas entre la memoria y la unidad aritmético-lógica, y entre el CPU y los dispositivos de entrada y salida. Para ejecutar cualquier programa, cada comando del mismo se desglosa en instrucciones.

Los procesadores utilizan la segmentación de instrucciones para acelerar la ejecución. La segmentación de cauce se puede dividir en ciclo de instrucción en varias etapas separadas que operan secuencialmente, tales como la captación de instrucción, decodificación de instrucción, cálculo de direcciones de operando, ejecución de instrucción y estructura del operando resultado.

2.2 Estructura de registros

Registros de control y de estado

Se utilizan para controlar las operaciones del procesador, la mayor parte de estos registros no son visibles al usuario y algunos pueden ser accesibles a las instrucciones de maquina ejecutadas en un modo de control. Los registros utilizados son los siguientes:

Registro de direcciones de memoria (MAR), el cual contiene la dirección en donde se efectuará la próxima lectura o escritura de datos. El numero de direcciones depende del tamaño de la MAR.
Registro de datos de memoria (MBR), contiene los datos que van a ser escritos en la memoria o los que fueron leídos en ella.
Registro de direcciones de entrada y salida (I/O AR), especifica al dispositivo ya sea de entrada o salida
Registro de datos de entrada y salida (I/O BR), es una área temporal en donde se lleva a cabo el intercambio de datos entre el procesador y el dispositivo de entrada y salida que esta especificado en IOAR.
Registro de instrucciones (IR), contiene la dirección de la siguiente instrucción que se va a ejecutar.
Palabras de estado del programa (PSW), contiene códigos de condición junto con otras informaciones de estado como el signo, acarro, desbordamiento, entre otras.

2.2.1 Registros visibles al usuario

Son aquellos que pueden ser referenciado por medio del lenguaje maquina que ejecuta la CPU, los registro que normalmente disponibles son:

Registros de propósito general, son aquellos que pueden guardar tanto datos como direcciones
Registro de datos, que pueden ser asignados por el programador a diversas funciones. En algunos casos son de propósito general y pueden ser empleados por cualquier instrucción de máquina que lleve a cabo operaciones sobre los datos.
Registros de direcciones, contienen direcciones en la memoria principal de datos y este tipo de registro puede ser de propósito general o estar a un modo específico de direccionamiento.
Códigos de condición, también conocidos como indicadores o flags. Los códigos de condición, son bits activados por el procesador como resultado de determinadas operaciones

2.3 Ciclo de introducción

Un ciclo de instrucción (también llamado ciclo de fetch-and-execute o ciclo de fetch-decode-execute en inglés) es el período que tarda la unidad central de proceso (CPU) en ejecutar una instrucción de lenguaje máquina.

Comprende una secuencia de acciones determinada que debe llevar a cabo la CPU para ejecutar cada instrucción en un programa. Cada instrucción del juego de instrucciones de una CPU, puede requerir diferente número de ciclos de instrucción para su ejecución. Un ciclo de instrucción está formado por uno o más ciclos máquina.

Para que cualquier sistema de proceso de datos basado en microprocesador (por ejemplo un ordenador) o microcontrolador (por ejemplo un reproductor de MP3) realice una tarea (programa) primero se debe buscar cada instrucción en la memoria principal y luego ejecutarla.

1. Buscar la instrucción en la memoria principal[editar]

Se vuelca el valor del contador de programa sobre el bus de direcciones. Entonces la CPU pasa la instrucción de la memoria principal a través del bus de datos al Registro de Dirección de Memoria (MAR). A continuación el valor del MAR es colocado en el Registro de Instrucción Actual (CIR), un circuito que guarda la instrucción temporalmente de manera que pueda ser decodificada y ejecutada.

2. Decodificar la instrucción[editar]

El decodificador de instrucción interpreta e implementa la instrucción. El registro de instrucción (IR) mantiene la instrucción en curso mientras el contador de programa (PC, program counter) guarda la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ser ejecutada.

Recogida de datos desde la memoria principal
Se accede al banco de registros por los operandos (solo si es necesario)
Se calcula el valor del operando inmediato con extensión de signo (solo si es necesario)

También se lee la dirección efectiva de la memoria principal si la instrucción tiene una dirección indirecta, y se recogen los datos requeridos de la memoria principal para ser procesados y colocados en los registros de datos.

3. Ejecutar la instrucción[editar]

A partir del registro de instrucción, los datos que forman la instrucción son decodificados por la unidad de control. Ésta interpreta la información como una secuencia de señales de control que son enviadas a las unidades funcionales relevantes de la CPU para realizar la operación requerida por la instrucción poder terminarla y seguir asi.

4. Almacenar o guardar resultados[editar]

El resultado generado por la operación es almacenado en la memoria principal o enviado a un dispositivo de salida dependiendo de la instrucción. Basándose en los resultados de la operación, el contador de programa se incrementa para apuntar a la siguiente instrucción o se actualiza con una dirección diferente donde la próxima instrucción será recogida.

2.3.2

segmentación de instrucciones

Segmentación: técnica de solapamiento de instrucciones
mediante la división de su ejecución en etapas o segmentos.
- Los segmentos están conectados entre sí cada uno al siguiente.
- Todos los segmentos proceden y progresan a la vez.
- La segmentación es transparente al programador.
Ciclo máquina: tiempo que tarda una instrucción en pasar de un
segmento al siguiente.
· Su duración viene dada por la duración de la etapa más
lenta.
· Normalmente, un ciclo máquina es un ciclo de reloj.
La segmentación incrementa la productividad de instrucciones
de la CPU, pero no disminuye el tiempo de ejecución de cada
instrucción:
· Las etapas no suelen estar perfectamente equilibradas.
· Gasto en el control de la segmentación.
pasos de la
segmentación.
1) IF: búsqueda de la instrucción.
2) ID: decodificación de la instrucción y búsqueda de
registros.
3) EX: ejecución y cálculo de direcciones efectivas.
4) MEM: acceso a memoria.
5) WB: postescritura.

RIESGOS DE LA SEGMENTACIÓN
- Riesgos estructurales: conflictos entre recursos.
- Riesgos por dependencia de datos entre instrucciones de la
cadena.
- Riesgos de control: modificaciones en la secuencia de ejecución
de instrucciones.
- Siempre es posible resolver una situación de riesgo mediante
una detención en la cadena de ejecución de instrucciones:
interbloqueo de la segmentación.