Diseño Logico Del Procesador

Introducción

Una unidad procesadora es aquella parte del sistema digital o un computador digital que configuran las operaciones en el sistema. Está compuesta por un número de registro y funciones digitales que las conforman las operaciones aritméticas, lógicas. La unidad donde de procesa toda la información es en el CPU (Unidad Central de Procesos).

Sin embargo la función digital que configura las operaciones con la información almacenada en los registros del procesador se llama ALU (Unidad Básica Aritmética) y este necesita de fuentes de entradas como lo son la información de las operaciones. Por ende ALU es un circuito combinacional; de manera dw que todas las operaciones entre los registros puedan realizarse durante el intervalo de un pulso de reloj.

Un CPU debe manipular no solamente datos sino también códigos de instrucción y direcciones que viene en la memoria. El registro que almacena y manipula el código de operación de instrucciones se considera como parte de la unidad de control, es importante mencionar que esta unidad presenta varias alternativas para la organización y diseño de una unidad de proceso.

Unidad II.

Diseño Lógico del Computador.

2.1 Organización del Procesador.

Un procesador, incluye tanto registros visibles por el usuario como registros de control/estado. Los registros visibles por el usuario pueden ser de uso general o tener una utilidad especial, mientras que los registros de control y estado se usan para controlar el funcionamiento del procesador, un claro ejemplo es el contador de programa.

Los procesadores utilizan la segmentación de instrucciones para acelerar la ejecución. La segmentación de cauce se puede dividir en ciclo de instrucción en varias etapas separadas que operan secuencialmente, tales como la captación de instrucción, decodificación de instrucción, cálculo de direcciones de operando, ejecución de instrucción y estructura del operando resultado.

A continuación se muestra cómo se organiza un procesador, para esto se tiene que considerar los siguientes requisitos:

Captar instrucciones: el procesador lee una instrucción de memoria (registro, cache o memoria principal).

Interpretar instrucción: la instrucción se codifica para determinar qué acción es necesario.

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

Procesar datos: la ejecución e 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 el módulo de E/S.

Para hacer estas cosas, el procesador necesita almacenar instrucciones y datos temporalmente mientras una instrucción esta ejecutándose, en otras palabras el procesador necesita una pequeña memoria interna.

En la figura anterior, es una visión simplificada de un procesador, que indica su conexión con el resto del sistema a través del bus del sistema. 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 afuera del procesador, y el funcionamiento de la ALU.

Unidad Aritmética Lógica:

En computación, la unidad aritmético lógica, también conocida como ALU (siglas en inglés de arithmetic logic unit), es un circuito digital que calcula operaciones aritméticas (como suma, resta, multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre dos números.

Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún tipo de operación aritmética, así que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si debe activar el sonido de la alarma, etc.

Por mucho, los más complejos circuitos electrónicos son los que están construidos dentro de los chips de microprocesadores modernos. Por lo tanto, estos procesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y potente. De hecho, un microprocesador moderno (y los mainframes) puede tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU.

Muchos otros circuitos pueden contener en el interior una unidad aritmético lógica: unidades de procesamiento gráfico como las que están en las GPU modernas, FPU como el viejo coprocesador matemático 80387, y procesadores digitales de señales como los que se encuentran en tarjetas de sonido, lectoras de CD y los televisores de alta definición. Todos éstos tienen en su interior varias ALU potentes y complejas.

Una ALU debe procesar números usando el mismo formato que el resto del circuito digital. Para los procesadores modernos, este formato casi siempre es la representación del número binario de complemento a dos. Las primeras computadoras usaron una amplia variedad de sistemas de numeración, incluyendo complemento a uno, formato signo-magnitud, e incluso verdaderos sistemas decimales, con diez tubos por dígito.

Las ALU para cada uno de estos sistemas numéricos mostraban diferentes diseños, y esto influenció la preferencia actual por el complemento a dos, debido a que ésta es la representación más simple, para el circuito electrónico de la ALU, para calcular adiciones y sustracciones, etc.

Un típico símbolo esquemático para una ALU: A y B son operandos; R es la salida; F es la entrada de la unidad de control; D es un estado de la salida

La mayoría de las ALU pueden realizar las siguientes operaciones:

• Operaciones aritméticas de números enteros (adición, sustracción, y a veces multiplicación y división, aunque ésto es más complejo)

• Operaciones lógicas de bits (AND, NOT, OR, XOR, XNOR)

• Operaciones de desplazamiento de bits (Desplazan o rotan una palabra en un número específico de bits hacia la izquierda o la derecha, con o sin extensión de signo). Los desplazamientos pueden ser interpretados como multiplicaciones o divisiones por 2.

2.2 Diseño de Procesadores:

Diseño de un Circuito Aritmético Logico.

Un ingeniero puede diseñar una ALU para calcular cualquier operación, sin importar lo compleja que sea; el problema es que cuanto más compleja sea la operación, tanto más costosa será la ALU, más espacio usará en el procesador, y más energía disipará, etc.

Por lo tanto, los ingenieros siempre calculan un compromiso, para proporcionar al procesador (u otros circuitos) una ALU suficientemente potente para calcular rápido, pero no de una complejidad de tal calibre

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