trabajo de arquitectura i auto guard ado)

8/9/2019 Trabajo de Arquitectura I Auto Guard Ado)

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DISEO LOGICODEL PROCESADOR

[2010]

Shirley Sandoval

Luz Marina Perez

Luis Antonio Jimnez

UNIVERSIDAD NACIONAL

EXPERIMENTAL DE LA FUERZA

ARMADA NACIONAL

INGENIERIA DE SISTEMAS

7 SEMESTRE SECCION 3

5 DE MAYO


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Introduccin................................ ................................ ................................ ................................ ......... 4OrganizacindelProcesador................................ ................................ ................................ ..........5

Unidadde Decodificacin................................ ................................ ................................ ............ 7Unidad DeEjecucin................................ ................................ ................................ ..................... 7Unidad AritmticoLgica (Alu)................................ ................................ ................................ 7

UNIDAD ARI E I A LOGI A ................................ ................................ ................................ ...... 8Circuitooperacional................................ ................................ ................................ ...................... 9Registros de entrada (RE N) ................................ ................................ ............................. 9Registroacumulador................................ ................................ ................................ .................... 9Registrodeestado (flags)................................ ................................ ................................ ...........9

DISEO DE LA UNIDAD ARITMETICA LOGICA ................................ ................................ .....9Operacionessimples................................ ................................ ................................ ..................... 9Operacionescomplejas................................ ................................ ................................ ............. 10

UNIDAD DE CONTROL ................................ ................................ ................................ ................. 12

Contadordeprograma (CP)................................ ................................ ................................ .... 13

Registrodeinstruccin (RI)................................ ................................ ................................ .... 13Decodificador (D)................................ ................................ ................................ ....................... 13Reloj (R)................................ ................................ ................................ ................................ ......... 14Secuenciador (S)................................ ................................ ................................ ......................... 14

DIAGRAMA Y DISEO LOGICO DELPROCESADOR ................................ .............................. 15DISEO DEL ACUMULADOR................................ ................................ ................................ ...... 17Conclusin................................ ................................ ................................ ................................ ......... 19


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INTRODUCCIN

Al hablardel DiseoLgicodelProcesador,es hablardeunatecnologa quese haido

actualizandoatravsdelosaosdesdelasalidadelasprimerasgeneracin (1950)

hastanuestrosdas.

Elprocesador es elcerebro delcomputador,porque leecada instruccin desde la

memoriaenunasecuencialgicadeterminada y realizaacciones y procesos.La CPU

puede ser un nico chip o una serie de chips que realizan clculos aritmticos y

lgicos que temporizan y controlan las operaciones de los dems elementos del

sistema.

Una unidad procesadora es aquella parte de un sistema digital o un computador

digital queconfiguralasoperacionesenelsistema.Estacompuestaporunnumero

deregistros y defuncionesdigitales queconformanmicrooperacionesaritmticas,

lgicas,dedesplazamiento y transferencia.

Estetrabajorefleja laorganizacin y eldiseodelaunidad delprocesador.

Una Unidadde Control: Consisteenuncircuito queinterpreta las instruccionesde

programa y controlaalrestodeloscomponentes (ALU y Registros)

Una Unidad AritmticoLgica (A.L.U) :realiza las operacionesmatemticas quele

ordenala Unidadde Control. Semejaunacalculadoraconalgunasfuncioneslgica.


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ORGANIZACIN DEL PROCESADOR

Laorganizacinserefierealasunidadesfuncionales y susinterconexiones, quedanlugaraespecificacionesarquitectnicas

La UCPo Unidad Centraldeprocesamiento (tambin conocidacomo CPU- Central

Processing Unit) esunchip quesirvecomocerebrodelordenador.Enelinteriorde

estecomponenteelectronicoexistenmillonesdetransistoresintegrados.

Elprocesadorsecomponedeungrupodeunidades interrelacionadas (ounidades

de control). Aunque la arquitectura del microprocesador vara considerablemente

de un diseo a otro, los elementos principales del microprocesador son los

siguientes:

y Una unidad de control que vincula la informacin entrante para luegodecodificarla y enviarla a la unidad de ejecucin: La unidad de control se

componedelossiguienteselementos:

Secuenciador (ounidadlgica y desupervisin), quesincronizalaejecucindelainstruccinconlavelocidaddereloj. Tambinenvasealesdecontrol.

Contador ordinal, que contiene la direccin de la instruccin que se estejecutandoactualmente.

Registrodeinstruccin,quecontienelainstruccinsiguiente.y Una unidad de ejecucin (o unidad de procesamiento), que cumple las tareas

queleasignalaunidaddeinstruccin.Launidaddeejecucinsecomponedelos

siguienteselementos:

La unidad aritmtica lgica (se escribe ALU); sirve para la ejecucin declculosaritmticosbsicos y funcioneslgicas (Y, O, O E CLUSI O,etc.).

Launidaddepuntoflotante (seescribeFPU), queejecutaclculoscomplejosparciales quelaunidadaritmticalgicanopuederealizar.

Elregistrodeestado. Elregistroacumulador.


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y Una unidad de administracin del bus (o unidad de entrada-salida) queadministra el flujo de informacin entrante y saliente, y que se encuentra

interconectadoconelsistemaRAM.

Unaunidadprocesadorapuededisearseparasatisfacerunconjunto decanalesde

datosparaunaaplicacinespecfica.

En una unidad procesadora bien organizada, los canales de datos se forman por

mediodebuses y otraslneascomunes.Lascompuertasdecontrol que formulanlos

canalesdedatossonesencialmentemultiplexores y decodificadorescuyaslneasde

seleccin especifican el camino requerido. El proceso de informacin se hace

medianteunafuncindigitalcomncuyocanaldedatospuedeserespecificadoporunconjuntodevariables deseleccincomunes. Una Unidadprocesadora quetiene

una organizacin bien estructurada puede usarse en un gran cantidad de

operaciones.

Launidadcentraldeproceso (CPU),procesadoromicroprocesador,eselverdadero

cerebro del ordenador. Su misin consiste en controlar y coordinar todas las

operacionesdelsistema.Paraelloextrae,unaauna,lasinstruccionesdelprograma

queestenlamemoracentraldelordenador (memoriaRAM),lasanaliza y emitelas

rdenesnecesarasparasucompletarealizacin.

Para entender cmo funcionaun microprocesador, hay que teneren prmer lugar

unaclaraideaacercadelaspartesobloques quelocomponen. Deotromodo,ser

prcticamente imposible hacerseunaidea sobresu funcionamiento. Deuna forma

global,podemosconsideraralmicroprocesadordivididoentresgrandesbloques:

UNIDAD DE

DECODIFICACINUNIDAD DEEJECUCIN

UNIDAD ARITMTICO- LGICA (ALU)


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UNIDAD ARITMETICA LOGICA

La uni ad Arit ti o- L i a (UAL s a ncar ada de reali ar loa clculos Los

datos sobrelos que se reali anlas operaciones sedenominan operando. Alelemento

encar ado de ejecutar las operaciones se le denomina operador y esta ormando

por una serie de circuitos electr nicos que son capaces de sumar dos nmeros

binarios o hacer las operaciones lgicas elementales: disyuncin, conjuncin y

negacin, inclusoalgunos operadores son tamb i ncapaces demultiplicar,di idir y

reali ar otras operaciones,ms complejas.

la Unidad Lgica Aritmtica (ULA , o Arithmetic Logic Unit (ALU , es uncircuito

digital quecalculaoperaciones aritmticas (como suma, resta,multiplicacin,etc.) yoperaciones lgicas (como iguala,menor que,mayor que,etc.),entredos nmeros.

Muchos tipos de circuitos electrnicos necesitan reali ar algn tipo de operacin

aritmtica, as que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendr una ALU

minscula que se mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene

comprobando si debeacti ar elpitidodel tempori ador,etc.

La ALU est ormadaa su ezpor los siguientes elementos:

y Circuitooperacionaly Registros deentrada (REN)y Registroacumuladory Registrodeestado ( lags)


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CIR CUITO OPER ACIONA L

Contieneloscircuitosnecesariosparalarealizacindelasoperacionesconlosdatos

procedentesdelosregistrosdeentrada (REN).Estecircuitotieneunasentradasde

rdenesparaseleccionarlaclasedeoperacin quedeberealizarencadamomento(suma,resta,etc).

Registrosde entrada (REN)

En ellos se almacenan los datos u operados que intervienen en una instruccin

antesdelarealizacindelaoperacinporpartedelcircuitooperacional. Tambinse

emplean para el almacenamiento de resultados intermedios o finales de las

operacionesrespectivas.

REGIST RO ACUMULADOR

Almacena los resultados de las operaciones llevadas a cabo por el circuito

operacional.Estconectadoconlosregistrosdeentradapararealimentacinenel

caso de operacionesencadenadas. Asimismo tiene una conexindirecta albus de

datosparaelenvodelosresultadosalamemoriacentraloalaunidaddecontrol.

RE GIST RO DEESTADO (FLAGS)

Se trata de unos registros de memoria en los que se deja constancia algunas

condiciones que se dieron en la ltima operacin realizada y que habrn de ser

tenidasencuentaenoperacionesposteriores.Porejemplo,enelcasode haceruna

resta,tiene que quedarconstanciasielresultadofuecero,

DISEO DE LA UNIDAD ARITMETICA LOGICA

OPER AC IONES SIMPL ES

Lamayoradelas ALU puedenrealizarlassiguientesoperaciones:

y Operacionesaritmticasdenmerosenteros (adicin,sustraccin, y avecesmultiplicacin y divisin,aunqueestoesmscostoso)

y Operacioneslgicasdebits (AND, NOT, OR, XOR, XNOR)


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y Operaciones de desplazamientodebits (Desplazan o rotan una palabra enun nmero especfico de bits hacia la izquierda o la derecha, con o sin

extensin de signo). Los desplazamientos pueden ser interpretados como

multiplicacionesodivisionespor 2.

OPER AC IONES COMPLEJA S

Uningenieropuededisearuna ALU paracalcularcualquieroperacin,sinimportar

locompleja quesea;elproblemaes quecuantomscomplejasealaoperacin,tanto

mscostosaserla ALU,msespaciousarenelprocesador, y msenergadisipar,

etc.

EneldiseodeunaALUsedebenseguirlossiguientespasos:

1. Disearlaseccinaritmticaindependientementedelaseccinlgica.2. Determinarlasoperacioneslgicasdelcircuitoaritmtico,asumiendo que

losacarreosdesalidadetodaslasetapasson0.3. Modificarelcircuitoaritmticoparaobtenerlasoperacioneslgicas

requeridas.

Eldiseosimpledeuna ALU se haceutilizandoelsumadorcompletoparagenerarlasoperacioneslgicasdelaunidad.Porlotantoesnecesariointroducirunavariabledecontroladicional,conelfindeseleccionarentrelasoperacioneslgicas yaritmticas.

DadolasiguienteEcuacin:

F = (AiBi)Cin

A partirdeestaecuacin,esposibleobtenerlafuncinlgicarequerida,utilizandoladebidamanipulacinlgica.Lafuncinrequeridaseexponeenla siguientetabla.

S2 S1 S0 Ai Bi Cin OperacinSumadorCompleto

Funcinrequerida

Fi

Manipulacin Salida

1 0 0 Ai 0 0 Ai OR Aplicarunafuncin OR Ai +Bi

Ai+Bi

1 0 1 Ai Bi 0 Ai&M XOR Ninguna Ai&M

1 1 0 Ai Bi' 0 AiBi AND Aplicarunafuncin OR Ai +

AiBi


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Bi

1 1 1 Ai 1 0 A i NOT Ninguna A i

1. Tabladeobtencindelas unciones lgicas con un sumador completo

Las entradas Mi, Niy Cinien un sumador completo, sonequi alentes alas siguientesexpresiones:

Mi =Ai+ S2S1'S0'

i+ S2S1S0'

i'

Ni= S0

i+ S1

i'

Cini=S2'Ci

.

Diagramalgicode una ALU

Las doceoperaciones generadas enelALUse resumen enla siguiente tabla,launcinenparticular se seleccionaa travs deS2,S1,S0 y Cin. Las operaciones

aritmticas sonlas mismas del circuitoaritmtico.


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Seleccin Salida F hDescripcin

hS2hS1hS0CinF

0 0 0 0 A Trasferir A

0 0 0 1 A+1 Incrementar A

0 0 1 0 A+B Suma

0 0 1 1 A+B+1 Sumaconaccarreo

0 1 0 0 A-B-1 Restaconprstamo

0 1 0 1 A-B Sustraccin

0 1 1 0 A-1 Decrementar A

0 1 1 1 A Transferir A

1 0 0 X A+B OR

1 0 1 X A & OR-Exclusiva

1 1 0 X AB AND

1 1 1 X A Complementar A

2. Tabladeverdaddeuna ALU

UNIDAD DE CONTROL

Launidaddecontrol (UC)esunodelostresbloquesfuncionalesprincipalesenlosquesedivideunaunidadcentraldeprocesamiento (CPU).Losotrosdosbloquessonla Unidaddeproceso y elbusdeentrada/salida.

Su funcin es buscar las instrucciones en la memoria principal, decodificarlas(interpretacin)y ejecutarlas,empleandoparaellolaunidaddeproceso.

Existen dos tipos de unidades de control, las cableadas, usadas generalmente enmquinas sencillas, y las microprogramadas,propias demquinas ms complejas.Enelprimercaso,loscomponentesprincipalessonelcircuitodelgicasecuencial,eldecontroldeestado,eldelgicacombinacional y eldeemisindereconocimientode seales de control. En el segundo caso, la microprogramacin de la unidad decontrol se encuentra almacenada en una micromemoria, a la cual se accede demanera secuencial (1, 2, ..., n) para posteriormente ir ejecutando cada una de lasmicroinstrucciones.


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La unidad de control (UC) es el centro nervioso de la computadora; desde ella secontrola y gobiernantodaslasoperaciones (bsqueda,decodificacin,y ejecucindelainstruccin).Pararealizarsufuncin,constadelossiguienteselementos:

Registrodecontadordeprogramas (CP) RegistrodeInstrucciones (RI) Decodificador (D) Reloj (R) Generadorde Sealeso Secuenciador (S)

CONTADOR DEPR OGRAMA (CP)

Contiene permanentemente la direccin de memoria de la siguiente instruccin aejecutar. Al iniciar la ejecucin de un programa toma la direccin de su primerainstruccin. Incrementa su valor en uno, de forma automtica, cada vez que se

concluyeunainstruccin,salvosilainstruccin queseestejecutandoesdesaltooderupturadesecuencia,encuyocasoelcontadordeprogramatomarladireccindelainstruccin quesetenga queejecutaracontinuacin;estadireccinestenlapropiainstruccinencurso.

RE GIST RO DEINST RUC C IN (RI)

Contienela instruccin queseestejecutandoencadamomento.Esta instruccinllevarconsigoelcdigodeoperacin (uncdigo queindica qutipodeoperacin

sevaarealizar,porejemplounasuma) y ensucasolosoperandos (datossobrelosque acta la instruccin, por ejemplo los nmeros a sumar) o las direcciones dememoriadeestosoperandos.

DECODIF ICADOR (D)

Seencargadeextraerelcdigodeoperacindelainstruccinencurso (queestenel registro de instruccin), lo analiza y emite las seales necesarias al resto deelementosparasuejecucinatravsdelsecuenciador.


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RELOJ (R)

Proporciona una sucesin de impulsos elctricos o ciclos a intervalos constantes( recuencia constante), que marcan los instantes en que han de comenzar losdistintos pasos de queconstacada instruccin.

SECUENCIADOR (S)

En este dispositivo se generan rdenes muy elementales (micrordenes) que,sincronizadas por los impulsos de reloj,hacen que sevayaejecutandopocoapocolainstruccin queestcargadaenel registrode instruccin.


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DIAGRAMA Y DISE O LOGICO DEL PROCESADOR


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MA : Este es el registro de direcciones de memoria (memory adress register).Debidoa quelamemoria RAM requierecierto tiempoparaencontrar y posicionarseen una direccin, dicha direccindebe estar siempre en las entradas. Este registrouncionacomobu er del PC.

P

: Este es un contador (program counter) que sirve para tener la direccin dememoria de la siguiente instruccin o dato que se debe de leer. Esto es, si en lamemoriacomenzamos con lalocalidad 0000,elcontador,despus deapuntar haciaesadireccin y despus dehaber tomadoeldatocontenidoenlamemoria,debe serincrementado en uno para que contenga un 0001, o sea, apunte a la siguientedireccin de la memoria. En nuestro caso, este con tador debe ser capaz de cargardatos en paralelo para poder realizar instrucciones de salto. Por ejemplo, elcontador puede tener elnumero 0100, y enesadireccin, lamemoriacontiene unainstruccinde saltoa ladireccin 1000. El PC debe ser capazdecargar estenuevonmero y seguir su cuentaapartir del.

MB

: Este registro es el bu er de datos de la memoria (memory bu er register).Cuandolamemoria seposicionaen unadireccin, muestraelcontenidoen su bus dedatos,peroestos datos ocontenidocambiaran si secambialadireccin que seponeen las entradas del bus dedirecciones de lamemoria. Es por esto quees necesarioun bu er de salida en la memoria. Tambin nos servir como bu er parainstrcciones deescrituraalamemoria.


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IR Esteregistroelesregistrodeinstrucciones (instructionregister). Cuandoeldatocontenidoenunadireccindememoriaesunainstruccin (suma,resta,salto,etc.)se manda a este registro para decodificarlo y mandar las seales correctas pararealizardichainstruccin.

ALU

La unidad aritmtico lgica es un integrado que puede realizar operacionesaritmticas y operaciones lgicas ya sea con un solo operando o hasta con dosoperandos.

Acc Esteeselregistroacumulador y esdepropsitogeneral.Ennuestrocasoserutilizado para guardar uno de los operandos del la ALU para llevar a cabooperacionescondosoperandos.Elsegundoseproporcionardirectamenteala ALUdesdeel MBR.

ROP Esteregistrocontieneelcdigodeoperacindela ALU.Estoes,serequieredeuncdigobinarioenlasentradasdela ALU paraseleccionar qutipodeoperacinse quierellevaracabo (suma,resta,complemento,etc.).

R: Este registro sirve nicamente para observar el resultado de las operacionesrealizadasenla ALU puesestconectadodirectamentealassalidas.

Generador de tiempos Eslapartedenuestromicroprocesador queseencargadegenerar seales de tiempos de acuerdo a la frecuencia de reloj que estemosmanejando.

Unidad de control:Es laencargadadegenerarlassealescorrectaspararealizarlasoperacionesdeseadasporelusuario. Comounaanalogatenemosaldirectordeunaorquesta.

DISEO DEL ACUMULADOR

Enun CPU decomputadora,elacumuladoresunregistroenel quesonalmacenadostemporalmentelosresultadosaritmticos y lgicosintermedios queserntratadosporla Unidadaritmtico-lgica (ALU).

Sinun registro como unacumulador, seranecesario escribirelresultadode cadaclculo (como adicin, multiplicacin, desplazamiento (shift), etc.) en la memoriaprincipal, quizs justo para ser leda inmediatamente otra vez para su uso en lasiguiente operacin. El acceso a la memoria principal es significativamente mslento que el acceso a un registro como el acumulador porque la tecnologa usadapara la memoria principal es ms lenta (pero ms barata) que la usada para unregistrointernodel CPU.

El ejemplo cannico para el uso del acumulador es cuando se suma una lista denmeros. El acumulador es puesto inicialmente a cero, entonces cada nmero essumado al valor en el acumulador. Solamente cuando se han sumado todos los


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nmeros,elresultadomantenidoenelacumuladoresescritoalamemoriaprincipaloaotro,registrono-acumuladordel CPU.

Los CPUsmodernosgeneralmentetienenmuchosregistros,todosomuchosdeellospueden ser capaces de ser utilizados para los clculos. En una arquitectura de

computadora,lacaracterstica quedistingueunregistroacumuladordeuno quenolo sea, es que el acumulador puede ser usado como operando implcito para lasinstruccionesaritmticas (silaarquitecturafueraateneralguno).

Porejemplo,unacomputadorapuedetenerunainstruccincomo:

Add DireccionDeMemoria

Esta instruccin agregara el valor ledo en la posicin de memoria indicada enDireccionDeMemoria al valor del acumulador, poniendo el resultado en elacumulador.Elacumuladornoesidentificadoenlainstruccinporunnmerodelregistro;esimplcitoenlainstruccin y ningnotroregistropuedeserespecificado

en la instruccin. Algunas arquitecturas utilizan un registro particular comoacumuladorenalgunasinstrucciones, peroenotrasinstruccionesusannmerosderegistroscomoespecificacinexplcitadeloperando.

Diagramade Bloquedel Acumulador

Variablesdecontrol

Entradasdedatos

Registro A

Circuitocombinacional

B


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CONCLUSIN

Dependiendodel tipo de procesador y su velocidad se obtendr un mejor o peor

rendimiento. Hoy en da existen varias marcas y tipos. Las familias (tipos) de

procesadores compatibles con el PC de IBM usan procesadores x86. Esto quiere

decir que hay procesadores286, 386, 486, 586 y 686.

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