Unidad 5 – Unidad central de proceso

Unidad 5 – Unidad central de proceso
Objetivo
El objetivo de esta unidad es que el alumno logre: entender el funcionamiento
básico de la Unidad Central de Proceso (UCP), definir las componentes básicas de
la misma, y conocer distintas arquitecturas de procesadores (CISC y RISC).
Contenidos
Modelo de Von Neumann. Estructura de la UCP (UC, UAL y registros). El
Procesamiento de Instrucciones. Ciclo de una Instrucción. Modos de
direccionamiento. Modelo de Von Neumann con solapamiento de procesos.
Filosofías CISC y RISC.
Actividades
Una vez finalizada la lectura del material correspondiente a la Unidad 5 (UCP)
estarán ya en condiciones de resolver la siguiente actividad.
Actividad 1- Guía de estudio
El objetivo de la presente actividad es orientar al alumno para profundizar los
conocimientos adquiridos del funcionamiento de la UCP. Asimismo, este ejercicio de
autocomprobación le permitirá verificar el avance en sus aprendizajes, así como
reconocer aquellos puntos que le presentan mayor dificultad para poder superarlos.
La actividad consiste en la interpretación del siguiente texto donde se deberá
identificar las afirmaciones falsas.
Leer atentamente el texto, subrayar las afirmaciones incorrectas contenidas en el
mismo, y explicar brevemente por qué considera que son falsas.
ASCI / Introducción a la Informática / Unidad 5
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La Unidad Central de Proceso (UCP) es el componente del sistema
responsable de realizar todas las acciones necesarias para la ejecución de
programas, que básicamente incluyen:
a) Control de la entrada de instrucciones y datos
b) Decodificación de las instrucciones
c) Ejecución de las operaciones especificadas por estas instrucciones
d) Manejo de
procesamiento
los
posibles
errores
que
se
produzcan
durante
el
e) Control de la salida de la información requerida por el usuario.
Sus partes principales son:
a) La Unidad de Control
b) La Unidad Aritmética y Lógica
c) Una pequeña memoria caché interna.
La UCP es, en definitiva, la responsable de la ejecución de instrucciones,
para lo cual dispone de ciertos registros de uso específico como:
a)
El Registro de Próxima Instrucción (RPI) o Contador de
Programa (CP) o Instrucción Próxima (IP), que contiene siempre la
siguiente instrucción a ser ejecutada.
b) El Registro de Dirección (RDI), que contiene siempre la última
dirección utilizada para el acceso a la MP. Por lo tanto, para una memoria
que trabaja con una palabra de 2 bytes, el RDI deberá tener como mínimo
16 bits para poder acceder a ella.
c) El Registro de Datos (RDA), que es el registro de E/S de la UCP. Por él,
ingresan todas las instrucciones y los datos leídos de la MP, toda la
información proveniente de los discos vía DMA y los valores generados
durante el procesamiento que deberán ser enviados a la MP , así como las
instrucciones una vez decodificadas.
d) El Registro de Instrucción (RI), que contiene la instrucción que se
está ejecutando, llamada instrucción corriente.
e) El Puntero de Pila o “Stack Pointer (SP)”, que permite acceder al
“stack” del sistema.
f) El Registro de Estado (RE) formado por un conjunto de bytes que
guardan las características de la última operación realizada por la UAL. Las
instrucciones de salto o bifurcación incondicionales pueden utilizar dicha
información para realizar el salto.
Veamos ahora la secuencia de operaciones necesarias para la ejecución de
una instrucción. Una instrucción, como toda información utilizada por el
sistema, se encuentra codificada en binario (aunque existen procesadores
que las codifican internamente en hexadecimal) y su estructura es:
a) Un campo, que contiene el código de operación, e indica la acción a ser
ejecutada.
b) Un campo, que contiene el o los operandos que son los valores sobre los
cuales se aplicará la acción indicada.
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Cabe aclarar que la instrucción puede no tener operandos pero
siempre debe incluir código de operación.
Los operandos pueden encontrarse en registros propios de la UCP, llamados
Registros de Uso General o en memoria principal y puede accederse a ellos en muy
diversas formas, llamadas Modos de Direccionamiento. Por lo tanto, los modos de
direccionamiento permiten encontrar los operandos sólo en registros de la UCP o en
la Memoria principal.
Para ejecutar una instrucción se deben realizar las siguientes acciones que, en su
conjunto, constituyen el denominado Ciclo de una Instrucción.:
Lectura de la instrucción
a) La UC copia el contenido del RPI en el RI e inicia el Ciclo de Lectura sobre la
MP.
b) Completado el ciclo, la instrucción leída queda almacenada en el RDA.
c) La UC transfiere la instrucción al RI.
Decodificación
La UC transfiere la instrucción al Decodificador de Direcciones.En el caso
de los procesadores CISC, el proceso de decodificación genera:
a) Un puntero al microprograma correspondiente en la Memoria de Control
b) En el caso de necesitar operandos, las direcciones efectivas del o los
operandos se encuentran en la MP.
Lectura de los operandos
a) La dirección de cada operando es transferida al RDI y se ejecuta el ciclo de
grabación correspondiente sobre la MP.
b) En caso de tratarse de una operación aritmética o lógica, el o los operandos
son transferidos a los registros de entrada de la UAL.
Ejecución propiamente dicha
a) La UC genera la secuencia de señales de control requeridas para la ejecución
de la instrucción.
Grabación del resultado en la MP
a) El contenido del registro de salida de la UAL es transferido al RDI y se
ejecuta sobre esta posición el ciclo de grabación correspondiente.
Eventualmente es posible que no existan estrictamente algunas de las
operaciones previamente descriptas, como sería el caso de una transferencia
entre registros de la UCP, en la cual no serán necesarias las lecturas de los
operandos en memoria. También puede no existir la grabación del resultado
en la MP.
Existen distintos tipos de instrucciones. Básicamente podemos mencionar:
a) De transferencia de información
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b) Aritméticas y Lógicas
c) De Control
Instrucciones de transferencia de Información
a) Son básicamente las encargadas del movimiento de información entre registros,
entre registros y la MP y entre distintas posiciones de memoria.
Instrucciones Aritméticas y Lógicas
a) Realizan todas las operaciones aritméticas y lógicas entre valores en punto fijo,
en punto flotante, valores lógicos y los almacenados internamente en decimal o
hexadecimal. Estas operaciones pueden realizarse entre datos contenidos en
registros, uno en un registro y el otro en memoria o ambos en memoria. Sin
embargo, al momento de la operación los datos deben estar en registros, que son
las entradas a la UAL.
Instrucciones de Control
a) Controlan el flujo del procesamiento, e incluyen el llamado a sub-rutinas y la
atención de interrupciones. Las instrucciones de control son fundamentales para el
procesamiento y su existencia forma parte de las condiciones establecidas por Von
Neumann. En el modelo Von Neumann con solapamiento de procesos o pipe line
aumenta la velocidad de procesamiento debido a que no es necesario procesar una
instrucción por vez sino que se procesan simultáneamente las mismas etapas de
distintas instrucciones favoreciendo el solapamiento.
Existen dos filosofías en el diseño actual de procesadores, denominadas CISC
(Complex Instruction Set Computers) y RISC (Reduced Instruction Set Computers).
Las características
procesadores son:
fundamentales
de
cada
uno
de
estos
tipos
de
Computadoras RISC
a) Poseen un conjunto reducido de instrucciones sencillas de igual tamaño.
b) Sólo dos formas de acceder a la MP (LOAD y STORE) para grabación y
lectura respectivamente.
c) Las instrucciones son directamente ejecutadas por el hardware de la UC.
d) Número reducido de Modos de Direccionamiento.
Computadoras CISC
a) Conjunto amplio de instrucciones complejas con variados formatos y
tamaños.
b) Cualquier instrucción puede hacer referencia a memoria.
c) Las instrucciones son ejecutadas mediante microprogramas contenidos en la
Memoria Caché de Instrucciones.
d) Gran cantidad de Modos de Direccionamiento, algunos muy complejos.
e) Inexistencia de instrucciones de control.
Se ha dicho que las instrucciones de control son aquellas que, de un modo
u otro alteran la secuencia de ejecución de las instrucciones. Estas
instrucciones de control incluyen:
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a)
a) Saltos (o bifurcaciones) incondicionales y condicionales
b)
b) Llamados a sub-rutinas (también incondicionales o condicionales)
c)
La diferencia fundamental entre ambos tipos es que, una vez
ejecutada una rutina, el control se transfiere automáticamente a la
instrucción donde se produjo el llamado. Para ésto, la dirección de retorno
se guarda en el “stack” del sistema.
Bibliografía
● Ginzburg, M.C. La PC por dentro, Biblioteca Técnica Superior.
● Tanenbaum, A. Organización de computadoras. Un enfoque estructurado.
● Tucker, A. Cupper, R. y otros Fundamentos de Informática.
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