1. Arquitectura
Computacional
UNIDAD 4
SISTEMAS
DIGITALES
Ing. Hugo Maciel

2. •¿CUÁL ES LA
FUNCIÓN BÁSICA DE
UNA
COMPUTADORA?
•¿CUÁL ES LA
FUNCIÓN DEL CPU?

3. • La función básica de una
computadora es ejecutar
programas, el cual esta
compuesto de un conjunto de
instrucciones almacenadas en
memoria.
• La CPU es la encargada de
ejecutar las instrucciones
especificas del programa. Para
comprender esta función debe
considerarse el detalle del
proceso de ejecución del
programa.

4. ORGANIZACIÓN DE UNA PC
• Los bloques funcionales básicos son: la unidad de
procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el
procesador de Entrada - Salida.
• Unidad de proceso central: Esta es la responsable de la
interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la
memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la
memoria principal se realizan a través de 2 canales
funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos.

5. ORGANIZACIÓN DE UNA COMPUTADORA

6. • Desde el punto de vista más
simple, se considera el
procesamiento de una
instrucción en dos etapas:
• La CPU lee (busca, trae; fetch en
inglés) la instrucción de
memoria y la ejecuta.
• La ejecución del programa
consiste en la repetición del
proceso de traer y ejecutar la
instrucción. Se detiene sólo si la
computadora se desconecta, se
produce algún error o se
encuentra una instrucción que
detiene la computadora.
Ciclo básico de
instrucción

7. • Para introducir en la memoria, una instrucción específica, la
CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por
el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la
instrucción que está en esa dirección.
• Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar
la operación.
Proceso de instrucción

8. • La instrucción traída se almacena en un registro
de la CPU conocido como registro de instrucción
(IR instruction register).
• La CPU interpreta la instrucción y realiza la
acción requerida. En general, ésta puede ser de
cuatro tipos:
• CPU - Memoria: Deben transferirse datos desde la CPU a la
memoria o viceversa.
• CPU - E/S: Deben transferirse datos a o desde el exterior mediante
el módulo de E/S.
• Procesamiento de datos: La CPU realizará alguna operación
aritmética o lógica con los datos.
• Control: Una instrucción puede especificar que la secuencia de
ejecución se altere por lo que la CPU debe poner el contador de
programa al valor adecuado.

9. • La CPU también haría que la ULA funcione como
sumadora y dirija la salida hacia el tercer
registro.
• El proceso de realización que especifica una
función se denomina ciclo de ejecución.
CICLO DE EJECUCIÓN

10. • Los nombres ciclos de búsqueda y ciclos de
ejecución derivan de la naturaleza cíclica de la
operación de la computadora una vez que esta
empieza a funcionar repite los ciclos de
búsqueda y ejecución de manera continua. Para
hacer referencia a cada ciclo suele utilizar el
término ciclo de máquina.
CICLO DE EJECUCIÓN

11. UNIDADES FUNCIONALES
• El procesador se compone de un grupo de unidades
interrelacionadas (o unidades de control). Aunque la arquitectura del
microprocesador varía considerablemente de un diseño a otro, los
elementos principales del microprocesador son los siguientes:
• Una unidad de control que vincula la información entrante para
luego decodificarla y enviarla a la unidad de ejecución: La unidad de
control se compone de los siguientes elementos:
• Secuenciador (o unidad lógica y de supervisión ), que sincroniza la
ejecución de la instrucción con la velocidad de reloj. También envía
señales de control:
• Contador ordinal, que contiene la dirección de la instrucción que se está
ejecutando actualmente;
• Decodificador, decodifica o interpreta la instrucción;
• Registro de instrucción, que contiene la instrucción siguiente.

12. DIAGRAMAA BLOQUESDE
LA UNIDADDE CONTROL

13. UNIDADES FUNCIONALES
• Una unidad de ejecución (o unidad de procesamiento), que cumple
las tareas que le asigna la unidad de instrucción. La unidad de
ejecución se compone de los siguientes elementos:
• La unidad aritmética lógica (se escribe ALU); sirve para la ejecución de
cálculos aritméticos básicos y funciones lógicas (Y, O, O EXCLUSIVO,
etc.);
• La unidad de punto flotante (se escribe fpu), que ejecuta cálculos
complejos parciales que la unidad aritmética lógica no puede realizar;
• El registro de estado;
• El registro acumulador.
• Una unidad de administración del bus (o unidad de entrada-salida)
que administra el flujo de información entrante y saliente, y que se
encuentra interconectado con el sistema RAM;

14. DIAGRAMA A BLOQUES DE LA
UNIDAD ARITMÉTICO-LÓGICA (ALU)

15. Registro Temporal de Memoria
“Buffer” (MBR): Contiene una palabra
que debe ser almacenada en memoria,
o recibe una palabra procedente de la
memoria.
Registro Temporal de Instrucción (IBR):
Almacena temporalmente la
instrucción contenida en la parte
derecha de una palabra.
Registro de Instrucción (IR): Contiene el
código de operación de la instrucción
que se va a ejecutar.
Registro de Dirección de Memoria
(MAR): Especifica la dirección de
memoria de la palabra que va a ser
escrita o leída en MBR.
Contador de Programa (PC): Contiene
la dirección de la siguiente pareja de
instrucciones que se traerán de
memoria.
Acumulador (AC) Multiplicador
Cociente (MQ): Se emplean para
almacenar temporalmente operandos y
resultados de operaciones de la ALU.

16. PARAMETROSSIGNIFICATIVOSDE UN
MICROPROCESADOR
• Ancho de bus (medido en Bits)
• La frecuencia de reloj a la que trabajan (medida en
Hz)
• Tamaño de memoria caché (medido en Bytes).
• L1 o interna (situada dentro del propio procesador y por
tanto de acceso aún más rápido y aún más cara). La caché de
primer nivel contiene muy pocos kilobytes (unos 32 ó 64
Kb).
• L2 o externa (situada entre el procesador y la RAM). Los
tamaños típicos de la memoria caché L2 oscilan en la
actualidad entre 256 kb y 2 Mb.

17. • La arquitectura.
• La tecnología de proceso.
• El encapsulado.
• El set de instrucciones
• La arquitectura de computadoras se refiere a los atributos de un
sistema que son visibles a un programador, es decir aquellos
atributos que tienen un impacto directo en la ejecución lógica de
un programa.
• La tecnología de proceso, se refiere a los materiales y técnicas
utilizadas en la fabricación del circuito integrado.
• El encapsulado se refiere a cómo se integra un procesador con lo
que lo rodea en un sistema funcional, que de alguna manera
determina la velocidad total del sistema.
Áreas principales a cubrir en
el diseño del procesador

18. • TIPOS DE ENCAPSULADO
Áreas principales a cubrir en
el diseño del procesador

19. Motorola 6800 Motorola 6803
Zilog Z80 A.
Un Z80 en encapsulado LQFP.
Diferentes tipos de encapsulados de
procesadores

20. • Aunque la tecnología de proceso y de
encapsulado son vitales en la elaboración de
procesadores más rápidos, es
la arquitectura del procesador lo que hace la
diferencia entre el rendimiento de una CPU
(Control Process Unit) y otra.
ARQUITECTURADELCOMPUTADOR
• ARQUITECTURA VON NEUMANN
•ARQUITECTURA HARVARD

21. •LA ARQUITECTURA VON NEUMANN
Se utiliza el mismo dispositivo de almacenamiento
tanto para las instrucciones como para los datos
ARQUITECTURADELCOMPUTADOR

22. ARQUITECTURADELCOMPUTADOR
•LA ARQUITECTURA HARVARD
Se utilizan dispositivos de almacenamiento
físicamente separados para las instrucciones y para
los datos

23. SET DE INSTRUCCIONES
DE UN CPU
• Existen dos tipos mas comunes:
• CISC: Su sistema de trabajo se basa en la microprogramación.
Consiste en hacer que cada instrucción sea interpretada por
un miniprograma.
• RISC: Microprocesador con un conjunto de instrucciones muy
reducidas en contraposición.
• Se basan en estructuras simples y por lo tanto su complejidad
total de la CPU es menor.

24. • CISC es un modelo de
arquitectura de computadores
(del inglés Complex Instruction
Set Computing). Computadoras
con un conjunto de instrucciones
complejo.
• Los microprocesadores CISC
tienen un conjunto de
instrucciones que se caracteriza
por ser muy amplio y permitir
operaciones complejas entre
operandos situados en la
memoria o en los registros
internos, en contraposición a la
arquitectura RISC.
SET DE INSTRUCCIONES
DE UN CPU

25. • Las instrucciones compuestas son decodificadas internamente y
ejecutadas con una serie de microinstrucciones almacenadas en
una ROM interna. Para esto se requieren de varios ciclos de reloj
(al menos uno por microinstrucción).
• Este tipo de instrucción dificulta el paralelismo entre instrucciones,
por lo que, en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto
rendimiento implementan un sistema que convierte dichas
instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo
RISC, llamadas generalmente microinstrucciones.
• La microprogramación es una característica importante y esencial
de casi todas las arquitecturas CISC. Como por ejemplo:
• Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486.
Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840.
• La microprogramación significa que cada instrucción de máquina es
interpretada por un microprograma localizado en una memoria en
el circuito integrado del procesador.
CISC

26. CARACTERÍSTICAS DE LAS CISC
• Reduce la dificultad de crear compiladores.
• Permite reducir el costo total del sistema
• Reduce los costos de creación de software.
• Mejora la compactación de código
• Facilita la depuración de errores.
• Muchas instrucciones potentes
• Muchos modos de direccionamiento
• Varios formatos de instrucciones
• Normalmente microprogramados (no
microprogramables)
• La ejecución de las instrucciones lleva varios ciclos de
máquina.

27. RISC

28. RISC

29. • De Arquitectura computacional, RISC (del inglés), Computadora con
Conjunto de Instrucciones Reducidas.
• Buscando aumentar la velocidad del procesamiento se descubrió en
base a experimentos que, con una determinada arquitectura de base,
la ejecución de programas compilados directamente con
microinstrucciones y residentes en memoria externa al circuito
integrado resultaban ser mas eficientes, gracias a que el tiempo de
acceso de las memorias se fue decrementando conforme se mejoraba
su tecnología de encapsulado.
• Debido a que se tiene un conjunto de instrucciones simplificado, éstas
se pueden implantar por hardware directamente en la CPU, lo cual
elimina el microcódigo y la necesidad de decodificar instrucciones
complejas.
• En investigaciones hechas a mediados de la década de los setentas, con
respecto a la frecuencia de utilización de una instrucción en un CISC y
al tiempo para su ejecución, se observó lo siguiente:
• Alrededor del 20% de las instrucciones ocupa el 80% del tiempo total
de ejecución de un programa.
• Existen secuencias de instrucciones simples que obtienen el mismo
resultado que secuencias complejas predeterminadas, pero requieren
tiempos de ejecución más cortos.
RISC

30. • La relativa sencillez de la arquitectura de los
procesadores RISC conduce a ciclos de diseño
más cortos cuando se desarrollan nuevas
versiones, lo que posibilita siempre la aplicación
de las más recientes tecnologías de
semiconductores.
• Por ello, los procesadores RISC no solo tienden a
ofrecer una capacidad de procesamiento del
sistema de 2 a 4 veces mayor, sino que los saltos
de capacidad que se producen de generación en
generación son mucho mayores que en los CISC.
RISC

31. CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC
• Codificación uniforme de instrucciones (ejemplo: el código
de operación se encuentra siempre en la misma posición
en cada instrucción, la cual es siempre una palabra), lo
que permite una decodificación más rápida.
• Estos microprocesadores siguen tomando como base el
esquema moderno de Von Neumann.
• Las instrucciones, aunque con otras características, siguen
divididas en tres grupos:
• a)Transferencia.
b) Operaciones.
c) Control de flujo.

32. CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC
• Reducción del conjunto de instrucciones a instrucciones
básicas simples, con la que pueden implantarse todas las
operaciones complejas.
• Arquitectura del tipo load-store (carga y almacena). Las únicas
instrucciones que tienen acceso a la memoria son 'load' y
'store'; registro a registro, con un menor número de acceso a
memoria.
• Casi todas las instrucciones pueden ejecutarse dentro de un
ciclo de reloj. Con un control implantado por hardware (con un
diseño del tipo load-store), base importante para la
reorganización de la ejecución de instrucciones por medio de
un compilador.
• Pipeline (ejecución simultánea de varias instrucciones).
Posibilidad de reducir el número de ciclos de máquina
necesarios para la ejecución de la instrucción, ya que esta
técnica permite que una instrucción puede empezar a
ejecutarse antes de que haya terminado la anterior.

33. CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC
• Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que
cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y así
simplificar el diseño del compilador.
• Modos de direccionamiento simple con modos más complejos
reemplazados por secuencias de instrucciones aritméticas
simples.
• Los tipos de datos soportados en el hardware (por ejemplo,
algunas máquinas CISC tiene instrucciones para tratar con
tipos byte, cadena) no se encuentran en una máquina RISC.
• Además estos procesadores suelen disponer de muchos
registros de propósito general.
• El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es
posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de
instrucciones y reducir los accesos a memoria.

34. APLICACIONES DE LOS
PROCESADORES RISC
• Esta clase de equipos se han introducido poco a poco en oficinas, en
la medicina y en bancos, debido a los cada vez mas voluminosos y
complejos paquetes de software que con sus crecientes
requerimientos de reproducción visual, que antes se encontraban
solo en el campo técnico de la investigación y desarrollo.
• En este tipo de equipos, el software de aplicación, se ejecuta bajo el
sistema operativo UNIX, el cual es escrito en lenguaje C, por lo que
las arquítecturas RISC actuales están adaptadas y optimizadas para
este lenguaje de alto nivel.
• Por ello, todos los productores de estaciones de trabajo de
renombre, han pasado en pocos años, de los procesadores CISC a los
RISC, lo cual se refleja en el fuerte incremento anual del número de
procesadores RISC, (los procesadores RISC de 32 bits han visto crecer
su mercado hasta en un 150% anual).

35. APLICACIONES DE LOS
PROCESADORES RISC
• En pocos años, el RISC conquistará de 25 al 30% del mercado
de los 32 bits, pese al aparentemente abrumador volumen de
software basado en procesadores con el estándar CISC que se
ha comercializado en todo el mundo.
• La arquitectura MIPS-RISC ha encontrado, en el sector de estaciones
de trabajo, la mayor aceptación.
• Los procesadores MIPS son fabricados y comercializados por cinco
empresas productoras de semiconductores, entre las que figuran
NEC y Siemens. Los procesadores de los cinco proveedores son
compatibles en cuanto a las terminales, las funciones y los bits.
• Las máquinas RISC protagonizan la tendencia actual de
construcción de microprocesadores. PowerPC, DEC
Alpha, MIPS, ARM, ... son ejemplos de algunos de ellos.

36. DEC Alpha AXP 21064,
un microprocesador
RISC
Microprocesador RISC
R800
Microprocesador PA-RISC
7300LC

37. CLASIFICACIONDE LOSCOMPUTADORES