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Microprocesadores

Informática AplicadaDSI-EIEFCEIA

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Arquitecturas

Un concepto:Programa almacenado

Dos modelos:Von Neumann (1945)

Harvard

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Microprocesador

Es un circuito integrado que cumple las funciones de unidad central de proceso (CPU)

Es un dispositivo programable, capaz de ejecutar instrucciones contenidas en un programa almacenado en memoria sobre datos digitales representados en formato binario

Incluye lógica combinacional y secuencial

Ver http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-823-computer-system-architecture-fall-2005/lecture-notes/l15_micro_evlutn.pdf

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Microprocesadores (ii): la ley de Moore

“la cantidad de transistores en un µP se duplica cada 18 meses”

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Microprocesadores (iii): la ley de Moore

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Microprocesadores: conceptos

Bloques constitutivos

Funcionamiento

Clock

Buses

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Reloj

El microprocesador es una máquina sincrónica: lleva a cabo operaciones a partir de una señal periódica externa (clock)

vclock

tclock

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Memoria

Es todo dispositivo electrónico, electromecánico, magnético u óptico capaz de almacenar datos

“memoria primaria” compuesta por semiconductores (DRAM/SRAM, xROM, etc)

“memoria secundaria” generalmente conformada por discos y cintas magnéticas, ópticos y, recientemente, dispositivos de estado sólido basados en tecnologías “flash”

El modelo lógico es el de un conjunto ordenado de bytes o palabras de 16, 32 o 64 bits

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Memoria (ii)

Clasificada por persistencia: volátiles/no volátiles

Clasificada por utilización: datos/programa

Clasificada por tecnología: registros/caché/externa

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Memoria (iii): Modelo Lógico

n 0

bits

0x000000x000010x00002

.

.

.

0x00ffd0x00ffe0x00fff

Direcciones

Longitud de palabra = n +1

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Direccionamiento de Memoria

Posición de memoria

N + 1 bitsBit 0Bit N

Dirección: 0xf00400

Contenido

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Memoria: Jeraquía

Tipo Tecnología Tiempo de acceso Tamaño

Registros On-chip Clock del CPU (< 1nSeg)

Cientos de bytes

Cache On-chip (L1) Off-chip (L2, L3) SRAM

L1: clock cpuL2, L3: 10 nSeg

Kilobytes a megabytes

Principal DRAM: DDR(2,3,4) 100 nSeg Gigabytes

Externa: SSD Flash EEPROM µSeg Gigabytes

Externa: HDD magnética mSeg Terabytes

Externa: DVD óptica > 100 mSeg Gigabytes

Externa: Cintas magnética > 500 mSeg Terabytes

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Reg DRam Flash HDDSRam Opt Cinta

Memoria: Tiempo de Acceso vs.Costo

Tiempo de acceso

Cost

o po

r bit

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Registros

La cpu contiene un conjunto de dispositivos capaces de almacenar datos cuyo tiempo de acceso es muy pequeño, lo cual permite manipular operandos, punteros, etc.

Los mas utilizados: •Contador de programa•Registro de instrucciones•Banco de registros de propósito general

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Registros (ii)

PC: program counter

SP: Stack pointer

...

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Buses

Los buses son dispositivos electrónicos capaces de transferir información binaria entre módulos de un CPU, componentes de una placa electrónica, o entre la placa base de una computadora y placas adicionales (video, red, etc.)

Un bus se caracteriza por:•Ancho en bits•Velocidad de transporte de datos (ancho de banda)•Latencia (retardo de transmisión)

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Buses (ii)

Dentro de un microprocesador se

identifican tres buses principales:•Bus de datos•Bus de direcciones•Bus de control

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ALU: Unidad Aritmético-Lógica

Es un módulo responsable de llevar a cabo operaciones aritméticas, lógicas y de desplazamiento sobre operandos enteros (bytes y/o palabras)

Op A Op B

Operador

Resultado

Status

Operaciones:Aritméticas: + - Lógicas: & | ^ ~Bit: << >>

ALU

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Unidad de Control

Es el módulo responsable de arbitrar las interacciones al interior del procesador; permitir el acceso a los buses y registros y coordinar la ejecución de los programas

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Instrucciones

Constituyen el programa que ejecutará el µP

Están definidas en el “set de instrucciones”

Varían entre fabricantes, arquitecturas y versiones

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Arquitectura de Von Neumann

El ciclo de trabajo es:

Búsqueda (fetch)

Decodificación (decode)

Ejecución (execution)

Los microprocesadores de las PC's usualmente son variantes de esta arquitectura

Ver https://web.archive.org/web/20130314123032/http://qss.stanford.edu/~godfrey/vonNeumann/vnedvac.pdf

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Arquitectura Harvard

Dos bloques de memoria eléctricamente separados, uno para datos y otro para instrucciones:

Los microcontroladores mayoritariamente son Harvard o alguna variante similar.

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Comparación de Arquitecturas

Von Neumann es mas flexible, al utilizar un mismo tipo de memoria para datos e instrucciones

Harvard es mas segura, dado que ningún programa del usuario tiene posibilidad de modificar la memoria de programa