Unidades Funcionales del CPU y ejecucin de las instrucciones

1
Unidades Funcionales del CPU y ejecución de las
instrucciones

• Arquitectura de Computadoras
• Caps. 9, 10, 11 y 12

2
Elementos básicos de una computadora

• Procesador
• Memoria principal
• Memoria real o primaria
• Volátil
• Módulos de E/S
• Dispositivos de memoria secundaria
• Equipo de comunicaciones
• Terminales
• Interconexión del sistema
• Comunicación entre procesadores, memoria, y
  módulos de E/S

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Estructura del CPU
4
Función del CPU

• El CPU debe
• Extraer instrucciones
• Interpretar instrucciones
• Extraer datos
• Procesar datos
• Escribir datos

5
Unidad aritmética y lógica

• Hace los cálculos
• El resto de los elementos de la computadora están
  para suministrar datos a la ALU
• UDC, Registros, Memoria, E/S
• Maneja enteros
• Puede menajar números de punto flotante (reales)
• Puede ser una FPU separada (coprocesador
  matemático)

6
ALU Entradas y salidas
7
Registros del CPU

• El CPU debe tener un espacio de trabajo
  (almacenamiento temporal)
• Llamados registros
• La cantidad y función varía dependiendo del
  diseño del procesador
• Una de las decisiones más importantes de diseño
• El nivel más alto en la jerarquía de memoria

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Componentes de la Computadoravisión de alto
nivel
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Componentes del nivel más alto (Registros)

• MAR - Memory Address Register
• Direcciona la siguiente lectura o escritura
• MBR - Memory Buffer Register
• Datos a ser escritos en memoria
• Recibe datos leidos de la memoria
• I/OAR - I/O Address
• Especifca un dispositivo de E/S en particular
• I/OBR - I/O Buffer
• Intercambio de datos entre un módulo de I/O y el
  procesador

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Registros del Procesador

• Registros visibles al usuario
• Pueden referenciarse por el lenguaje máquina
• Disponibles a todos los programas - programas de
  aplicación y programas del sistema
• Tipos de registros
• Datos
• Direcciones
• Códigos de condición

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Registros Visibles al Usuario

• Registros de datos
• Registros de direcciones
• Registros índices
• Apuntador de segmentos
• Apuntador de stack

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Registros de control y estado

• Program Counter (PC)
• Instruction Register (IR)
• Program Status Word (PSW)

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Cuándo se modifican los registros?

• Ejecución de un programa
• Programa
• Secuencia de instrucciones máquina
• Ejecutadas por el CPU

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Qué son las instrucciones máquina?

• Conjunto de instrucciones
• La colección de instrucciones que entiende un CPU
• Lenguaje máquina
• Binario
• Usualmente representado por códigos en ensamblador

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Elementos de una instrucción

• Código de operación (Op code)
• Hacer esto
• Referencia al operando fuente
• A esto
• Referencia al operando resultante
• Poner la respuesta aquí
• Referencia a la siguiente instrucción
• Cuando termines, hacer esto...

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Dónde están los operandos?

• Memoria principal (o virtual, cache)
• Registros del CPU
• Dispositivo de E/S

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Representación de instrucciones

• En el código máquina cada instrucción tiene un
  patrón de bits único
• Para el entendimiento humano se usa una
  representación simbólica
• ejemplo. ADD, SUB, LOAD
• Los operandos también pueden representarse de esa
  forma
• ADD A,B

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Tipos de instrucciones

• Procesamiento de datos
• Almacenamiento de datos (memoria principal)
• Movimiento de datos (E/S)
• Flujo del programa

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Número de direcciones (a)

• 3 direcciones
• Operando 1, Operando 2, Resultado
• a b c
• No es común
• Requiere formatos grandes para tener todo

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Número de direcciones (b)

• 2 direcciones
• Una de las direcciones es operando y resultado
• a a b
• Reduce la longitud de la instrucción
• Requiere algo de trabajo extra
• Almacenamiento temporal para mantener algunos
  resultados

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Número de direcciones (c)

• 1 dirección
• Segunda dirección implícita
• Usualmente un un registro (acumulador)
• No es común en máquinas actuales

22
Número de direcciones (d)

• 0 (cero) direcciones
• Todas la direcciones son implícitas
• Usa un stack
• ejemplo.
• push a
• push b
• add
• pop c
• c a b

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Cuántas direcciones?

• Más direcciones
• Instrucciones más complejas (potentes??)
• Más registros
• Operaciones entre registros más rápidas
• Menos instrucciones por programa
• Menos direcciones
• Instrucciones menos complejas (potentes??)
• Más instrucciones por programa
• Extracción/ejecución de instruccíones más rápida

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Decisiones de diseño (1)

• Repertorio de operaciones
• Cuántas operaciones?
• Qué pueden hacer?
• Qué tan complejas son?
• Tipos de datos
• Formato de instrucciones
• Longitud del campo del código de operación (op)
• Número de direcciones

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Decisiones de diseño(2)

• Registros
• Número de registros del CPU disponibles
• Cuales operaciones pueden ejecutarse en cuáles
  registros?
• Modos de direccionamiento (más adelante)
• RISC v CISC

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Tipos de operandos

• Direcciones
• Números
• Enteros/Punto flotante
• Caracteres
• ASCII etc.
• Datos lógicos
• Bits o banderas
• Hay alguna diferencia entre números y
  caracteres?
• Qué dicen los programadores de C?

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Tipos de datos específicos

• General contenido binario arbitrario
• Entero Valor binario simple
• Ordinal Entero sin signo
• BCD No empaquetado un dígito por byte
• BCD Empaquetado - 2 dígitos BCD por byte
• Apuntador cercano desplazamiento de 32 bits
  dentro del segmento
• Campo bit
• Cadena de caracteres
• Punto flotante

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Tipos de operaciones

• Transferencia de datos
• Aritméticas
• Lógicas
• Conversión
• E/S
• Control del sistema
• Transferencia de control

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Transferencia de datos

• Hay que especificar
• Fuente
• Destino
• Cantidad de datos
• Pueden ser instrucciones diferentes instrucciones
  para diferentes movimientos
• O una instrucción y diferentes direcciones

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Aritmética

• Suma, Resta, Multiplicación, División
• Entero con signo
• Punto flotante?
• Puede incluir
• Incremento (a)
• Decremento (a--)
• Negación (-a)

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Lógicas

• Operaciones de bits
• AND, OR, NOT

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Conversión

• De Binario a Decimal

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Entrada y Salida

• Pueden ser instrucciones específicas
• Pueden ser instrucciones simbólicas
• Puede hacerse con instrucciones de movimiento de
  datos
• Mapeo en memoria
• Puede hacerse por medio de un controlador
  separado (DMA)

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Control del Sistema

• Instrucciones privilegiadas
• El CPU necesita estar en un estado específico
• Ring 0 en 80386
• Modo Kernel
• Para el uso de los SO

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Transferencia de Control

• Salto
• Ejemplo Hace la operación y salta a xxxx si el
  resultado es cero
• ISZ Register1
• Branch xxxx
• ADD A
• Llamada a una subrutina
• Llamada a una interrupción

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Modos de direccionamiento

• Inmediato
• Directo
• Indirecto
• Registro
• Registro Indirecto
• Desplazamiento (Indexedo)
• Stack

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Direccionamiento Inmediato

• El operando es parte de la instrucción
• Operando campo dirección
• ejemplo. ADD 5
• Suma 5 al contenido del acumulador
• 5 es operando
• No hay referencia a memoria para extraer datos
• Rápido
• Rango limitado

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Diagrama del Direccionamiento Inmediato
Instrucción
Operando
Opcode
39
Direccionamiento Directo

• El campo de direcciónes contiene la dirección del
  operando
• La dirección efectiva (EA) campo de dirección
  (A)
• ejemplo. ADD A
• Suma el contenido de la celda A al acumulador
• Buscar en memoria la dirección A para el operando
• Una sola referencia a memoria para accesar datos
• No se hacen cálculos adicionales para trabajar la
  dirección efectiva
• Espacio de direcciones limitado

40
Diagrama de Direccionamiento Directo
41
Direccionamiento Indirecto (1)

• Celdas de memoria apuntadas por un campo de
  dirección contiene la dirección (apuntador) al
  oprando
• EA (A)
• Busca en A, encuentra la dirección (A) y ahí
  busca el operando
• Ejemplo. ADD (A)
• Suma el contenido de una celda apuntada por el
  contenido de A al acumulador

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Direccionamiento Indirecto (2)

• Espacio de direccionamiento grande
• 2n donde n es la longitud de la palabra
• Puede ser anidado, multinivel, en cascada
• ejemplo. EA (((A)))
• Cómo sería el diagrama?
• Varios accesos a memoria para encontrar el
  operando
• Más lento

43
Diagrama de Direccionamiento Indirecto
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Direccionamiento Registro (1)

• El operando está en el registro nombrado en el
  campo dirección
• EA R
• Número limitado de registros
• Se requiere un campo de direcciones muy pequeño
• Instrucciones más cortas
• Extracción de instrucciones más rápida

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Direccionamiento registro (2)

• No se hace acceso a memoria
• La ejecución es muy rápida
• Espacio de direcciones muy limitado
• Muchos registros ayudan al rendimiento
• Requiere una buena programación en ensamblador o
  el desarrollo de un buen compilador
• Programando en C
• register int a

46
Diagrama de direccionamiento Registro
47
Direccionamiento indirecto con registro

• EA (R)
• El operando está en una celda de memoria apuntado
  por el contenido del registro R
• Espacio de direcciones grande (2n)
• Un acceso menos a memoria que el direccionamiento
  indirecto

48
Diagrama de direccionamiento Indirecto con
registro
49
Direccionamiento con desplazamiento

• EA A (R)
• El campo de direcciones tiene dos valores
• A valor base
• R registro que tiene el desplazamiento
• o vice versa

50
Direccionamiento con desplazamiento
51
Direccionamiento relativo

• Una versión de direccionamiento con
  desplazamiento
• R Contador del programa, PC
• EA A (PC)
• Obtener operando de A celdas a partir de la
  posición actual
• Apuntada por el registro PC
• Localidad de referencias y el uso de la caché

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Direccionamiento base registro

• A desplazamiento
• R apuntador a la dirección base
• R puede ser implícito o explícito
• ejemplo. Registros de segmento en el 80x86

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Direccionamiento Indexado

• A base
• R desplazamiento
• EA A R
• Bueno para el acceso de arreglos
• EA A R
• R

54
Formatos de Instrucciones

• Distribución de los bits en una instrucción
• Incluye el opcode
• Incluye operandos
• implícitos o explícitos
• Usualmente más que un formato de instrucciones es
  un conjunto de instrucciones

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Longitud de la instrucción

• Afectado por y afecta
• Tamaño de la memoria
• Organización de la memoria
• Estructura del bus
• Complejidad del CPU
• Velocidad del CPU
• Repertorio de instrucciones potente o ahorrar
  espacio?

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Asignación de bits

• Número de modos de direccionamiento
• Número de operandos
• Registros vs memoria
• Número de conjuntos de registros
• Rango de direccionamiento
• Granularidad en las direcciones

57
Ejecución de una Instrucción

• El procesador ejecuta instrucciones en un
  programa
• Las instrucciones son capturadas de la memoria en
  un tiempo

58
Captura y ejecución de una instrucción

• El procesador captura la instrucción de la
  memoria principal
• El contador del programa (PC) tiene la dirección
  de la siguiente instrucción a ser capturada
• El contador del programa se incrementa después de
  cada captura

59
Ejemplo de la ejecución de un programa
60
Ejecución de una Instrucción

• Dos pasos
• Captura
• Ejecución

Ciclo Fetch (Captura)
Ciclo de ejecución
Captura siguiente instrucción
Ejecuta instrucción
Captura siguiente instrucción
Ejecuta instrucción
INICIO
HALT
61
Ciclo de Fetch (Captura)

• El contador del programa (PC) tiene la dirección
  de la siguiente instrucción a extraer
• El procesador extrae la instrucción de la
  dirección de memoria apuntada por PC
• Incrementa PC
• Al menos que se le indique otra cosa
• La instrucción se carga en el registro de
  instrucción (IR)
• El procesador interpreta la instrucción y ejecuta
  las acciones requeridas

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Ciclo de ejecución

• Procesador-memoria
• Transferencia de datos entre el CPU y la memoria
  principal
• Procesador E/S
• Transferencia de datos entre CPU y un módulo de
  E/S
• Procesamiento de datos
• Alguna operación aritmética o lógica en los datos
• Control
• Alteración de la secuencia de las operaciones
• ejemplo. jump
• Combinación de los de arriba

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Diagrama de estados del ciclo de instrucción
Captación del operando
Alcacena- miento de operando
Captación de instrucción
Captación del operando
Alcacena- miento de operando
Captación de instrucción
Varios operandos
Varios operandos
Decodificación de la operación de la instrucción
Cálculo de la dirección del operando
Operación con datos
Cálculo de la dirección del operando
Decodificación de la operación de la instrucción
Cálculo de la dirección del operando
Operación con datos
Cálculo de la dirección del operando
Cálculo de la dirección de la instrucción
Cálculo de la dirección de la instrucción
Instrucción completada Captar la siguiente
instrucción
Cadena o vector de datos
64
Ciclo indirecto

• Puede requerir acceso a memoria para extraer
  operandos
• El direccionamiento indirecto requiere más
  accesos a memoria
• Puede ser a través de como un subciclo de
  instrucción adicional

65
El ciclo de instrucción
66
Diagrama de estados del ciclo de instrucción
Indirección
Indirección
Captación del operando
Captación del operando
Captación de instrucción
Alcacena- miento de operando
Captación de instrucción
Alcacena- miento de operando
Varios resultados
Varios operandos
Interrupción
Interrupción
Comproba- ción de interrupción
Comproba- ción de interrupción
Decodificación de la operación de la instrucción
Cálculo de la dirección del operando
Cálculo de la dirección de la instrucción
Decodificación de la operación de la instrucción
Cálculo de la dirección del operando
Operación con datos
Cálculo de la dirección del operando
Cálculo de la dirección de la instrucción
Operación con datos
Cálculo de la dirección del operando
Instrucción completada Captar la siguiente
instrucción
No interrupción
Volver a por otro dato de una cadena o un vector
67
Flujo de datos (Extracción de los datos)

• Se examina IR
• Si es direccionamiento indirecto, se ejecuta el
  ciclo indirecto
• Los N bits más de la derecha de MBR se
  transfieren a MAR
• La unidad de control solicita lectura de memoria
• El resultado (dirección del operando) se mueve a
  MBR

68
Flujo de datos, ciclo de captación
Memoria
Memoria
Bus de datos
Bus de control
Bus de direcciones
MAR
PC
MAR
PC
Unidad De control
Unidad De control
IR
IR
MBR
MBR
69
Flujo de datos, ciclo indirecto
Memoria
Memoria
MAR
MAR
Unidad De control
MBR
MBR
MBR
Bus de direcciones
Bus de datos
Bus de control
70
Flujo de datos (Ejecución)

• Puede tomar varias formas
• Depende de la instrucción que se está ejecutando
• Puede incluir
• Lectura/Escritura de la memoria
• Entrada/Salida
• Transferencias de registros
• Operaciones en la ALU

71
Pre-captura

• La captura se hace accesando memoria
• La ejecución usualmente no accesa memoria
  principal
• Puede capturar la siguiente instrucción durante
  la ejecución de la instrucción actual
• A esto se le llama pre-captura de instrucción

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Procesamiento en tuberías (Pipelining)

• Extraer instrucción
• Decodifica instrucción
• Calcula operandos
• Extraer operandos
• Ejecutar instrucciones
• Escribir resultados
• Sobreponer estas operaciones

73
Mejora el rendimiento

• Pero no al doble
• La captura es normalmente más corta que la
  ejecución
• Pre-capturar más de una instrucción?
• Cualquier salto significa que las instrucciones
  pre-capturadas no se requieren
• Añade más estapas para mejorar el rendimiento

74
Diagrama de tiempos del funcionamiento del cauce
de instrucciones
75
Efecto de un salto condicional en el
funcionamiento del cauce de instrucciones
76
Qué es superescalar?

• Las instrucciones comunes pueden iniciarse y
  ejecutarse independientemente
• Aritméticas, carga/almacenamiento, salto
  condicional
• Igualmente aplicable a RISC y CISC
• En práctica usualmente en RISC

77
Por qué superescalar?

• La mayoría de las operaciones están en cantidades
  escalares
• Ver RISC
• Mejorar esas operaciones para obtener una mejora
  global

78
Organización superescalar usual
Banco de registros de punto flotante
Banco de registros de enteros
Unidades Funcionales segmentadas
Memoria
79
Supersegmentado

• Muchas de las etapas de una tubería (pipeline)
  necesitan menos que la mitad de un ciclo de reloj
• Duplicando la velocidad interna de reloj
  obtenemos dos tareas por ciclo externo de reloj
• El superescalar permite extracción ejecución
  paralela

80
Comparación de superescalar y supersegmentada
(máquina base)
81
Comparación de superescalar y supersegmentada
(supersegmentada)
82
Comparación de superescalar y supersegmentada
(superescalar)
83
RISC

• Reduced Instruction Set Computer
• Características clave
• Muchos registros de propósito general
• O el uso de la tecnología del compilador para
  optimizar el uso de los registros
• Conjunto de instrucciones limitado y simple
• Énfasis en optimizar el pipelining de las
  instrucciones

84
Características del RISC

• Una instrucción por ciclo
• Operaciones de registro a registro
• Menos, modos de direccionamiento simples
• Menos, formatos de instrucciones simples
• Formato de instrucción fijo
• Más tiempo/esfuerzo para compilar

85
Intención del CISC

• Desarrollo fácil del compilador
• Hacer la ejecución eficiente
• Operaciones complejas en micro-código
• Soporta lenguajes de alto nivel más complejos

86
Por qué CISC?

• El costo del software excede los costos del
  hardware
• Cada vez más lenguajes de alto nivel complejos
• Huecos en la semántica

87
RISC vs CISC

• Los diseños RISC pueden sacar provecho de la
  inclusión de algunas características CISC
• y los CISC sacar provecho de algunas
  características RISC
• ejemplos. PowerPC y Pentium