Tema 3: Unidad de Control

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Tema 3Unidad de Control (Antonio J. de
Vicente)

• Operaciones elementales
• Estructura de un computador elemental
• Ejemplo de un computador elemental
• Temporización de las señales de control
• Ejecución de instrucciones
• Diseño de la unidad de control
• Cableada
• Microprogramada
• Nanoprogramación
• Arranque del computador

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Bibliografía

• General
• Hennessy, John L. y Patterson, David A.
  Arquitectura de computadores. Un enfoque
  cuantitativo. Mc Graw Hill, 1993
• De Frutos Redondo, J.A. y Rico López, R.
  Arquitectura de computadores. S. P. de la
  Universidad de Alcalá, 1995
• Stallings, W. Organización y Arquitectura de
  Computadores (4ª edición). Prentice Hall, 1.996

• Complementaria
• De Miguel Anasagasti, P. y otros. Problemas de
  estructura de computadores. Paraninfo, 1993

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Operaciones elementales (I)

• La unidad de control tiene como función básica la
  ejecución de la secuencia siguiente

• Tomar la instrucción apuntada por el contador de
  programa de la memoria principal (fase de fetch)

• Decodificar la instrucción leída

• Actualizar debidamente el contador de programa

• Ejecutar la instrucción

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Operaciones elementales (II)

• La ejecución de cada instrucción requiere
  realizar una serie de pequeños pasos mediante
  señales de control estos pasos se llaman
  operaciones elementales

• Las operaciones elementales que puede realizar
  todo sistema computador se clasifican en los
  grupos siguientes

• Operaciones de transferencia
• Mover información de un elemento de
  almacenamiento a otro

• Operaciones de proceso
• La información origen pasa a través de un
  operador

• Todas las operaciones elementales, ya sean de
  transferencia o de proceso comienzan en un
  elemento de almacenamiento y terminan en otro

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Operaciones elementales (III)Operación elemental
de transferencia

• Operación de transferencia MOV RegB, RegA
• Volcar el contenido del Registro A al Bus de
  Datos
• Cargar el contenido del Bus de Datos en Registro
  B

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Operaciones elementales (IV)Operación elemental
de proceso

• Operación de proceso XOR RC, RA, RB
• Llevar el Registro A a la ALU
• Llevar el Registro B a la ALU
• Escoger la operación XOR
• Cargar el resultado en el Registro C

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Estructura de un computador elemental

• Estudiaremos las señales de control que genera
  una Unidad de Control por medio del empleo de una
  máquina simplificada que siga la arquitectura de
  Von Neumann

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Ejemplo de un computador elemental (I)Memoria
principal (I)

• El bloque de memoria principal constará de los
  elementos siguientes

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Ejemplo de un computador elemental (II)Memoria
principal (II)

• Cronograma del ciclo de lectura

reloj
Mem
Ldir
Rd
Wr
Dirección a leer
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Ejemplo de un computador elemental (III)Memoria
principal (III)

• Cronograma del ciclo de escritura

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Ejemplo de un computador elemental (IV) Banco de
registros (I)

• El banco de registros está formado por los
  siguientes elementos

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Ejemplo de un computador elemental (V) Banco de
registros (II)

• Lectura del banco de registros. Registros D y E
  simultáneamente

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Ejemplo de un computador elemental (VI) Banco de
registros (III)

• Escritura en el banco de registros. Registro D

Reg. D
Dato a escribir
Bus de datos
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Ejemplo de un computador elemental (VII) Unidad
aritmético-lógica (I)

• La unidad aritmético-lógica consta de los
  siguientes elementos

• Señales de control

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Ejemplo de un computador elemental (VIII) Unidad
aritmético-lógica (II)

• Sumar al contenido de la Salida B del banco de
  registros con el B.Dat

X0,X1
Y0,Y1
S0,S3
Lac
Bus de Datos
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Ejemplo de un computador elemental (IX) Unidad
de direccionamiento (I)
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Ejemplo de un computador elemental (X) Unidad de
direccionamiento (II)
Lcp
Tcp
Tcp
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Ejemplo de un computador elemental (XI) Unidad
de control (I)

• La UC genera todas las señales que forman el bus
  de control

Consta de los elementos siguientes
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Ejemplo de un computador elemental (XII) Unidad
de control (II)

• Carga en el registro de instrucción del código
  máquina de la instrucción

Código máquina Instrucción
Li
Dir. A
Dir. B
Dit
Reset
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Ejemplo de un computador elemental (XIII)
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Ejecución de instrucciones (I)Ejecución de SUB
D, E 1234h (I)

• Instrucción a ejecutar SUB D, E 1234h

D ? D - Memoria ( E 1234h)

• Instrucción aritmética con direccionamiento
  directo relativo a registro

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Ejecución de instrucciones (II)Ejecución de SUB
D, E 1234h (II)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Direccionar el contador de programa

• CP ? Bus de Direcciones

• Cargar R. Dir. con el contenido del B.Dir

señales de control
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Ejecución de instrucciones (III)Ejecución de SUB
D, E 1234h (III)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Leer la instrucción de memoria principal

• Inicio ciclo memoria, leer

• Cargar R. Inst. con el contenido del B.Dat

señales de control
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Ejecución de instrucciones (IV)Ejecución de SUB
D, E 1234h (IV)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones

• La Unidad de Control emplea un ciclo de reloj en
  la decodificación de la instrucción leída

señales de control
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Ejecución de instrucciones (V)Ejecución de SUB
D, E 1234h (V)
Dir. B
Dir. A
Buffer Bidireccional
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Incrementar en uno el CP

• Seleccionar operando (CP) y operar (Inc)

• Cargar Acumulador con el resultado

señales de control
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Ejecución de instrucciones (VI)Ejecución de SUB
D, E 1234h (VI)
Dir. B
Dir. A
Buffer Bidireccional
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Cargar el nuevo valor del CP

• Acumulador ? Bus de Datos

• Cargar el CP con el contenido del Bus de Datos

señales de control
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Ejecución de instrucciones (VII)Ejecución de SUB
D, E 1234h (VII)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Calcular la dirección del operando fuente

• UC1234h en B. Datos Reg. E con Dir.A

• Seleccionar operandos y operar (suma)

• Cargar Acumulador con el resultado

señales de control
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Ejecución de instrucciones (VIII)Ejecución de
SUB D, E 1234h (VIII)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Direccionar el operando fuente

• Acumulador ? Bus de direcciones

• Cargar R. Dir. con el contenido del B.Dir

señales de control
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Ejecución de instrucciones (IX)Ejecución de SUB
D, E 1234h (IX)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Leer operando fuente y realizar operación

• Inicio ciclo de memoria y leer

• La UC selecciona Reg. D con Dir.A

• Selecc. Oper., restar, cargar Ac y mod. Flags

señales de control
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Ejecución de instrucciones (X)Ejecución de SUB
D, E 1234h (X)
a la ALU
Dir. B
Dir. A
Buffer Bidireccional
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Guardar res. en reg. D y pasar a sig. Ins.

• UC pone Reg. D en Dir.A

• Acumulador ? B. Datos

• Cargar Banco de Registros y poner el Contador de
  Fases a cero

señales de control
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Temporización de las señales de control

• El comportamiento de un computador es síncrono.
  Está gobernado por un reloj

• Cada una de las fases de ejecución de una
  instrucción se realiza en un número determinado
  de periodos de reloj

• Cronograma es el diagrama de las señales que se
  activan en cada ciclo de reloj correspondiente a
  cada una de las fases de ejecución de la
  instrucción

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Cronograma (I)Ejecución de SUB D, E 1234h (I)
D E C O D I F I C A C I Ó N
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Cronograma (II)Ejecución de SUB D, E 1234h
(II)
DT Lcp
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Cronograma (III)Ejecución de SUB D, E 1234h
(III)
AT Ldir
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Cronograma (IV)Ejecución de SUB D, E 1234h
(IV)
ltDir A Dgt DT Lr Reset
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Cronograma (V)Ejecución de SUB D, E 1234h (V)
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Generación de las señales de control
(I)Ejecución de SUB D, E 1234h (I)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
señales de control
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Generación de las señales de control
(II)Ejecución de SUB D, E 1234h (II)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
señales de control
39
Generación de las señales de control
(III)Ejecución de SUB D, E 1234h (III)
D E C O D I F I C A
C I Ó N
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
señales de control
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Generación de las señales de control
(IV)Ejecución de SUB D, E 1234h (IV)
Dir. B
Dir. A
Buffer Bidireccional
Bus de Datos
Bus de Direcciones
señales de control
41
Generación de las señales de control
(V)Ejecución de SUB D, E 1234h (V)
Dir. B
Dir. A
Buffer Bidireccional
Bus de Datos
Bus de Direcciones
señales de control
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Generación de las señales de control
(VI)Ejecución de SUB D, E 1234h (VI)
43
Generación de las señales de control
(VII)Ejecución de SUB D, E 1234h (VII)
Dir. B
Dir. A
Bus de Datos
Bus de Direcciones
señales de control
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Generación de las señales de control
(VIII)Ejecución de SUB D, E 1234h (VIII)
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Generación de las señales de control
(IX)Ejecución de SUB D, E 1234h (IX)
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Ideas principales