Arquitectura De Computadoras

Estructura y funcionamiento de la CPU

2.1 Organización del procesador

Un procesador incluye registros visibles para el usuario y registros de control/estado. Los primeros pueden referenciarse, implícita o explícitamente en las instrucciones máquina. Los registros visibles por el usuario pueden ser de uso general o tener una utilidad especial, tal como almacenamiento de números en coma fija o coma flotante, direcciones, índices o punteros de segmento. Los registros de control y de estado se usan para controlar el funcionamiento del procesador.

Los procesadores utilizan la segmentación de instrucciones para acelerar la ejecución. Las instrucciones se mueven a través de estas etapas.

Para comprender la organización del procesador, consideremos los requisitos que ha de cumplir:

• Captar instrucción: el procesador lee una instrucción de la memoria (registro, caché o memoria principal).

• Interpretar instrucción: la instrucción se decodifica para determinar qué acción es necesaria.

• Captar datos: la ejecución de una instrucción puede exigir leer datos de la memoria o de un módulo de E/S.

• Procesar datos: la ejecución de una instrucción puede exigir llevar a cabo alguna operación aritmética o lógica con los datos.

• Escribir datos: los resultados de una ejecución pueden exigir escribir datos en la memoria o en un módulo de E/S.

Para hacer estas cosas, es obvio que el procesador necesita almacenar algunos datos temporalmente.

Debe recordar la posición de la última instrucción de forma que pueda saber de dónde tomar la siguiente. Necesita almacenar instrucciones y datos temporalmente mientras una instrucción está ejecutándose. En otras palabras, el procesador necesita una pequeña memoria interna.

La Figura de abajo es una visión simplificada de un procesador. que indica su conexión con el resto del sistema a través del bus del sistema. Sería necesaria una interfaz similar para cualquiera de las estructuras de interconexión descritas en el Capítulo 3. El lector recordará que los principales componentes del procesador son una unidad aritmético lógica (arithmetic and logic unit, ALU) y una unidad de control (control unit, CUlo La ALU lleva a cabo el verdadero cálculo o procesamiento de datos. La unidad de control controla las transferencias de datos e instrucciones hacia dentro y hacia fuera del procesador, y el funcionamiento de la ALU. Además, la figura muestra una memoria interna mínima, que consta de un conjunto de posiciones de almacenamiento llamadas registros.

La Figura de abajo presenta una visión un poco más detallada del procesador. Se indican los caminos de transferencia de datos y de la lógica de control, que incluyen un elemento con el rótulo bus interno del procesador. Este elemento es necesario para transferir datos entre los diversos registros y la ALU, ya que la ALU en realidad solo opera con datos de la memoria interna del procesador. La figura muestra también los elementos básicos típicos de la ALU. Observe la similitud entre la estructura interna del computador en su totalidad y la estructura interna del procesador. En ambos casos hay una pequeña colección de elementos principales (computador: procesador, E/S, memoria; procesador: unidad de control, ALU, registros) conectados por caminos de datos.

2.2 Estructura de registros

2.2.1 Registros visibles para el usuario

Un computador emplea una jerarquía de memoria. En los niveles más altos de la jerarquía, la memoria es más rápida, más pequeña y más cara (por bit). Dentro del procesador hay un conjunto de registros que funciona como un nivel de memoria por encima de la memoria principal y de la caché en la jerarquía. Los registros del procesador son de dos tipos:

Registros visibles por el usuario: permiten al programador de lenguaje máquina o de ensamblador minimizar las referencias a memoria principal por medio de la optimización del uso de registros.

Registros de control y de estado: son utilizados por la unidad de control para controlar el funcionamiento del procesador y por programas privilegiados del sistema operativo para controlar la ejecución de programas.

No hay una separación bien definida de registros dentro de estas dos categorías. Por ejemplo, en algunas máquinas el contador de programa es visible por el usuario (por ejemplo, en el Pentium), pero en muchas no lo es. Para el objetivo de la siguiente discusión, no obstante, usaremos estas categorías.

REGISTROS VISIBLES POR EL USUARIO

Un registro visible por el usuario es aquél que puede ser referenciado por medio del lenguaje máquina que ejecuta el procesador. Podemos clasificarlos en las siguientes categorías:

• Uso general

• Datos

• Direcciones

• Códigos de condición

Los registros de uso general pueden ser asignados por el programador a diversas funciones. A veces, su uso dentro del repertorio de instrucciones es ortogonal a la operación. Es decir, cualquier registro de uso general puede contener el operando para cualquier código de operación. Esto proporciona

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