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U1S2: El Microprocesador (Aspectos Generales)

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Instituto Tecnológico Superior de Teziutlán
Arquitectura de Computadoras

Veröffentlicht in: Ingenieurwesen

U1S2: El Microprocesador (Aspectos Generales)

  1. 1. INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEZIUTLÁN MATERIA: ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS ENERO - JUNIO 2017
  2. 2. EL MICROPROCESADOR ASPECTOS GENERALES
  3. 3. C.I. complejo que alberga el CPU de una computadora. Ejecuta el Software (S.O, Programas, Aplicaciones, etc.) Decodificación, Ejecución, Lectura y Escritura. CONCEPTO DE MICROPROCESADOR
  4. 4. CONCEPTO DE MICROPROCESADOR Físicamente, un microprocesador es una unión de microcircuitos, cuyo elemento principal es el transistor. En un solo microprocesador hay alrededor de millones de transistores, que conmutan millones de veces por segundo. La cantidad de ellos se duplica por lo general cada 2 años aproximadamente, con lo que se amplifican sus prestaciones.
  5. 5. CONCEPTO DE MICROPROCESADOR
  6. 6. EL MICROPROCESADOR ARQUITECTURA Y COMPONENTES INTERNOS
  7. 7. ARQUITECTURA INTERNA DEL MICROPROCESADOR La arquitectura interna de un microprocesador hace referencia a la presencia y distribución física de cada uno de sus componentes. La gran mayoría siguen basados en la Arquitectura von Neumann, no obstante se han realizado mejoras e innovaciones en pos de mejor rendimiento.
  8. 8. ARQUITECTURA INTERNA DEL MICROPROCESADOR
  9. 9. UNIDAD DE INTERFACE CON EL BUS (FRONT SIDE BUS [FSB]) Elemento que conecta directamente la Memoria RAM y la Tarjeta Madre con el microprocesador, y a través de el se reciben las instrucciones y los datos, y ajusta las velocidades de transmisión de la información.
  10. 10. UNIDAD DE DECODIFICACIÓN Decodifica las instrucciones procedentes de la Memoria para transformarlos en el formato de instrucciones entendido por el CPU, es decir, a lenguaje máquina.
  11. 11. UNIDAD DE CONTROL Unidad que coordina el funcionamiento de todas las áreas del microprocesador, indicando los turnos para operar en cada instante. Así mismo, ejecuta las instrucciones ya decodificadas previamente.
  12. 12. UNIDAD ARITMÉTICA LÓGICA (ALU) Elemento que se encarga de realizar las operaciones aritméticas o lógicas dictadas por las instrucciones del programa, una vez interpretadas por la Unidad de Control.
  13. 13. UNIDAD DE COMA FLOTANTE (FPU) Elemento que realiza operaciones matemáticas con números reales (Coma Flotante).
  14. 14. REGISTROS INTERNOS Elementos de almacenamiento temporal que alojan datos de uso frecuente o cálculos en realizados por la ALU. Su tamaño se mide en bits y determinan el tamaño máximo de los datos que se pueden manipular en una sola operación o ciclos de reloj.
  15. 15. RELOJ INTERNO Elemento que suministra la señal de pulsos que sincroniza todas las unidades internas del microprocesador, así como la búsqueda y ejecución de instrucciones.
  16. 16. MEMORIA CACHÉ O DE ACCESO INMEDIATO Memoria volátil de alta velocidad que almacena datos e instrucciones de uso frecuente, para acelerar los accesos del microprocesador a la memoria RAM. Dependiendo de su cercanía y prioridad, se divide en niveles (L1: Mayor Prioridad, L2 … Ln: Baja Prioridad)
  17. 17. EL MICROPROCESADOR PROCESO BÁSICO DE LECTURA Y ESCRITURA DE DATOS
  18. 18. PROCESO BÁSICO DE LECTURA Y ESCRITURA DE DATOS
  19. 19. PROCESO BÁSICO DE LECTURA Y ESCRITURA DE DATOS
  20. 20. PROCESO BÁSICO DE LECTURA Y ESCRITURA DE DATOS
  21. 21. PROCESO BÁSICO DE LECTURA Y ESCRITURA DE DATOS
  22. 22. PROCESO BÁSICO DE LECTURA Y ESCRITURA DE DATOS
  23. 23. EL MICROPROCESADOR FUNCIONES DE LOS REGISTROS Y EL BUS DE CONTROL
  24. 24. FUNCIONES DE LOS REGISTROS Y EL BUS DE CONTROL
  25. 25. Los registros internos se encargan elementalmente del almacenamiento de datos, posiciones o llamados a subrutinas, y están directamente asociados con la Unidad Aritmética Lógica (ALU) FUNCIONES DE LOS REGISTROS INTERNOS
  26. 26. Program Counter (PC) Registro Contador de Programa Registro que lleva el control de qué instrucción se está leyendo y ejecutando en un determinado momento. Inicia normalmente con la dirección 0 (0000h, por ejemplo) e incrementa de 1 en 1, salvo que se indique un salto a otra dirección. FUNCIONES DE LOS REGISTROS INTERNOS
  27. 27. Stack Registro de Pila Registro que almacena direcciones temporales para el PC, y se usan cuando se invoca o se accede a una subrutina. Siempre que se llame a una subrutina, se guarda la localidad de memoria presente del el PC en un Stack, y en el momento de terminarla, se retorna al programa principal. Hay hasta 4 stacks para que el procesador pueda acceder a 4 subrutinas al mismo tiempo, o acceder a una subrutina dentro de otra subrutina. FUNCIONES DE LOS REGISTROS INTERNOS
  28. 28. Flags Registro de Bandera Registros especiales que guardan resultados de operaciones aritméticas u operaciones con bits. Banderas especiales son los indicadores de signo, acarreos (carry), adeudos (borrow), valores cero (zero), valores menores de cero (DC), entre otros. Estos registros por lo general no pueden ser modificados por el usuario, por ser de uso exclusivo de la ALU. Dependiendo del programa que se diseñe, habrá que estar consultando el estado de determinados bits, para ejecutar saltos, segmentos de código de tipo condicional, etc. FUNCIONES DE LOS REGISTROS INTERNOS
  29. 29. Special Function Register Registros Especiales o de Función Principal Registros especiales que almacenan datos correspondientes a Estado de Dispositivos o componentes, de convertidores de datos o de puertos específicos. La existencia y las funciones de dichos registros depende del microprocesador empleado y de las necesidades de programación del usuario. FUNCIONES DE LOS REGISTROS INTERNOS
  30. 30. General Purpouse Register Registros de Propósito General Registros destinados para almacenar provisionalmente los datos con los que la ALU va a trabajar, evitando accesos múltiples a la memoria principal para ubicarlos. FUNCIONES DE LOS REGISTROS INTERNOS
  31. 31. Work Register Registros de Trabajo o Acumuladores Registros especiales donde la ALU almacena los resultados de sus cálculos. Algunos microprocesadores no tienen registros de propósito general, pero obligatoriamente deben llevar registros de trabajo. FUNCIONES DE LOS REGISTROS INTERNOS
  32. 32. Las señales del bus de control permiten al microprocesador comunicarse adecuadamente con cada uno de los elementos periféricos que lo conforman y con los que tiene contacto con el exterior. Todas las señales se activan o se desactivan constantemente según lo requiera el programa o lo indiquen los periféricos FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  33. 33. Read/Write Señal de Lectura/Escritura Indica a la memoria principal si el procesador requiere leer o cargar un dato alojado en alguna dirección o, en caso contrario, escribirlo. FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  34. 34. Chip Enable Habilitación de Chip Establece, previo a la señal de Lectura/Escritura, la habilitación del dispositivo al que se transmitirán o leerán los datos que se necesitan. FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  35. 35. SEÑALES DEL BUS DE CONTROL Input/Output Request Solicitud de Entrada/Salida Indica si la información que pretende pasar por el bus de control es de entrada o de salida.
  36. 36. Refresh Recarga o Actualización Señal que efectúa un “refresco” o “recarga” de los datos alojados en memoria, sobre todo si ésta es de tipo dinámica. FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  37. 37. Interrupt Interrupción Señal que efectúa una Interrupción de Software proveniente de un puerto o de un sistema maestro, con el objetivo de acceder a alguna subrutina. FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  38. 38. Non Maskarable Interrupt Interrupción No Enmascarable Señal que efectúa una Interrupción de Hardware que no puede ser ignorada por el sistema. Se habilita cuando una subrutina es crítica o si alguna de ellas no se desactiva durante la operación normal del sistema. FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  39. 39. Bus Request Solicitud de Bus Señal que envía solicitudes de acceso a un elemento externo para conocer su disponibilidad (Ocupado o Disponible) FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  40. 40. Bus Acknowledge Reconocimiento de Bus Señal que envía o confirma a otros sistemas si se ha establecido contacto de forma correcta o si el bus se encuentra disponible u ocupado para alguna tarea o transferencia de datos FUNCIONES DEL BUS DE CONTROL
  41. 41. EL MICROPROCESADOR FACTORES DE RENDIMIENTO
  42. 42. FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR FACTORES DE RENDIMIENTO Existen factores a considerar que determinan el rendimiento del microprocesador, es decir, sus prestaciones Ancho de los Buses de Datos y de Direcciones Tamaño y Niveles de la Memoria Caché Frecuencia de Reloj o de Procesamiento (Velocidad Interna) Frecuencia de Trabajo del FSB (Velocidad Externa) Tamaño de los Registros Internos Densidad de Integración del Microprocesador Voltaje de Alimentación
  43. 43. ANCHO DEL BUS DE DATOS Representa el dato más grande que es capaz de manejar el procesador en una sola operación. El tamaño de éste determina el Ancho de Palabra de la memoria principal. FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  44. 44. BUS DE DIRECCIONES El tamaño de éste bus determina la cantidad máxima de memoria que podemos direccionar. La capacidad de la memoria que se puede direccionar depende de la cantidad de bits que conforman el bus de direcciones, siendo 2n el tamaño máximo en bits del banco de memoria que se podrá direccionar con n líneas. FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  45. 45. TAMAÑO Y UBICACIÓN DE LA MEMORIA CACHÉ Las memorias caché son elementos de almacenamiento mucho más pequeño comparado con la Memoria RAM, pero que trabajan a velocidades mucho mayores. En ellas se almacenan las últimas instrucciones procesadas o las futuras a procesar junto con sus datos. Modalidad de caché en relación al procesador Ubicación en el Sistema Denominación de su conexión al procesador Externa En la Placa Base (Motherboard) Bus Local o Bus Frontal (Front Side Bus) Interna En un chip junto al Procesador Bus Trasero (Back Side Bus) Integrada Como parte del propio Procesador Conexión Interna FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  46. 46. CACHÉ INTERNA FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  47. 47. CACHÉ INTEGRADA FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  48. 48. NIVELES DE CACHÉ TIEMPO DE ACCESO ns μs ms s COSTO Mayor Costo Menor Costo FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  49. 49. VELOCIDAD INTERNA DEL PROCESADOR Se trata de la frecuencia de reloj interna a la que trabaja el procesador. Se mide en Hertz (Hz) En general, cuanto mayor es la velocidad de procesador, mayor es el número de operaciones por segundo realiza. El rendimiento está en función del modelo del procesador, el número de núcleos y las otras características que se han descrito. FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  50. 50. INTEL PENTIUM 4 3.0 GHz INTEL Core 2 Duo 2.4 GHz ¿Qué procesador es más rápido? FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  51. 51. VELOCIDAD DEL BUS PRINCIPAL (FSB) O VELOCIDAD EXTERNA Es la frecuencia de reloj a la que viajan los datos por el bus principal. Dado que el microprocesador trabaja a una frecuencia, y la tarjeta madre a otra, se requiere de un elemento que ajuste o adapte la diferencia de velocidades entre ambos. Dicho elemento se denomina Multiplicador. Para aumentar el rendimiento del procesador interesa que la velocidad del bus sea lo más alta posible. FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  52. 52. Suponga que disponemos de una Motherboard para procesadores Pentium II y Pentium III con las siguientes velocidades del FSB: • 100 MHz • 133 MHz Si colocamos un microprocesador Intel Pentium II a 450 MHz y queremos que el FSB funcione a 100 MHz, ¿Con qué valor debemos configurar el multiplicador? FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR Considerando la misma placa, si colocamos un microprocesador Intel Pentium III que funciona a 800 MHz, y queremos que el FSB funcione a 133 MHz ¿Con qué valor debemos ajustar el multiplicador?
  53. 53. VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN Es el voltaje necesario para energizar todos los elementos del microprocesador. A mayor voltaje, se obtiene una mayor frecuencia de procesamiento, lo que se traduce en una mayor velocidad de procesamiento. Al aumentar el voltaje de operación, también se genera una mayor cantidad de calor y se demanda más energía, aumentando el consumo. FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR
  54. 54. DENSIDAD DE INTEGRACIÓN Indica la separación física que hay entre los transistores que conforman el microprocesador. También se conoce como Tecnología de Fabricación y se mide en micras o micrómetros (μm) o nanómetros (nm). Entre mayor sea la densidad de integración, se pueden agregar más componentes o ampliar los existentes, que se traduce en mayor rendimiento. La densidad de integración sigue un patrón denominado Ley de Moore. FACTORES DE RENDIMIENTO DE UN MICROPROCESADOR

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