Cap3

Perspectiva de Alto Nivel del Funcionamiento y
de las interconexiones del computador
Capítulo 3
Fecha de presentación
Debemos poder contestar las preguntas, Qué aspectos de diseño son los
que permite que los componentes del computador pueda realizar sus
funciones básicas.
Podemos describir los conceptos que permiten manejar y controlar la
gestiones de proporciona las estructuras arriba señaladas.
Componentes del Computador
Actuales.
Datos
•
Su diseño se basa en el diseño de creado por
John von Neumann, en el Instituto de
Secuencia de
Resultados
funciones
lógicas y
aritméticas
Programación Hardware
Estudios Avanzados de Priceton (Institute
for Advances Studies Priceton) conocido
como IAS. Los Tres conceptos Básicos:
o
Los datos y las instrucciones se almacenan en
Códigos de
instrucción
una sola memoria de lectura-escritura.
o
Los contenidos de esta memoria se direccionan
Señales de control
indicando su posición, sin considerar el tipo de
dato contenido en la misma.
o
La ejecución se produce siguiendo una
secuencia de instrucción tras instrucción (a no
ser que dicha secuencia se modifique
explícitamente).
Secuencia de
funciones
lógicas y
aritméticas
Datos
Resultados
Secuencia de
funciones
lógicas y
aritméticas
Programación Software
¿Cómo se suministran las Señales de Control?
•
El programa se realmente una secuencia de pasos.
Para cada paso, se requiere un nuevo conjunto de
CPU
PC
MAR
señales de control.
•
Se asocia un código específico a cada posible
MBR
IR
E/S AR
conjunto de señales de control. Se añade al
hardware de uso general una parte encargada de
generar las señales de control a partir del código.
•
Unidad de
ejecución
E/S
BR
En vez de tener que reconfigurar el hardware para
cada programa, se necesita es proporcionar una
nueva secuencia de códigos, una instrucción, y una
Modulo de E/S
parte del hardware interpreta cada instrucción y
genera las señales de control.
•
Elementos necesarios:
o
Un Intérprete de instrucciones y
o
Un módulo de uso general para las funciones
aritméticas y lógicas.
..
.
Registros
Bus del
Sistema
.
.
.
Instrucción
Instrucción
0
1
2
.
.
.
.
.
.
Datos
Datos
.
.
.
.
.
.
n-2
n-1
PC= Ctrl. de prog.
IR= Reg. de inst.
MAR= Reg. dir. mem.
MBR=Reg. buff. mem.
E/S AR= Reg. dir. E/S
E/S BR= Reg. buff. E/S
Funcionamiento del computador
•
El procesador se encarga de ejecutar las instrucciones especificadas en el programa. La
forma más simple consta de dos etapas:
Ciclo de captación
•
•
Ciclo de ejecución
El procesador lee (capta) la instrucción de memoria.
Ejecuta. Esto consiste en la repetición del proceso de captación y ejecución de instrucción.
El Procesamiento que requiere una instrucción se denomina ciclo de instrucción.
•
Ciclo de ejecución se para solo si:
o
La máquina se Desconecta.
o
Se produce algún tipo de Error Irrecuperable o Ejecuta una instrucción del programa
que Detiene al computador.
Ciclo de captación
Ciclo de ejecución
Los Ciclos de Captación y Ejecución.
Inicio de Ciclo de instrucción.
El CPU capta una instrucción de Memoria, utiliza el reg. PC
Codop
•
•
(Program Counter) para seguir la pista de las instrucción que
0
0
1
3
4
debe captarse a continuación e incrementa PC (prox dir. mem.)
requerida.)
Cuatro Tipos de Etapas que puede realizar:
o
Procesador – Memoria: Debe transferir datos desde CPU a MEM o
viceversa.
o
Procesador – E/S: Debe transferir datos a o desde Medio externo y
Magnitud
realizarla CPU. La CPU interpreta y lleva a cabo la acción
Dirección
IR (“código binario” que especifica la acción que debe
Formato de enteros
La instrucción captada se almacena en el reg. de CPU llamado
Formato de instrucción
•
CPU.
o
Procedimiento de Datos: Realiza operaciones aritmética o lógica
con los datos.
o
Control: Especifica la cual será la siguiente acción.
15
15
Estados del Ciclo de Instrucción.
Captación
de
instrucción
Almacenamiento de
operando
Captación
de
operando
Varios
resultados
Varios
operandos
Calculo de
la dir. de
instrucción
Decodificación de la
operación
de la
instrucción
Cálculo de
la dir. de
operando
Instrucción completada captar
siguiente instrucción
Operación
con datos
Cálculo de
la dir. de
operando
Cadena o vector de datos
Nota: Algunos estados pueden no darse y otros pueden visitarse más de una vez.
Estados del Ciclo de Instrucción.
•
Cálculo de la dirección de la instrucción (IAC):
Determina la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar, sumando un número fijo
a la dirección de la instrucción previa, dependiendo del tamaño de la instrucción (dir. de la
instrucción) y el tamaño de la palabra de la memoria.
•
Captación de instrucción (if):
La CPU lee la instrucción desde su posición en memoria.
•
Decodificación de la operación indicada en la instrucción (IOD):
Analiza la instrucción para determinar e tipo de operación a realizar y el (los)
operando(s) a utilizar.
•
Cálculo de la dirección del operando (OAC):
Si la instrucción implica una referencia a un operando en memoria o disponible
mediante E/S, determina la dirección del operando.
•
Captación de operando (OF):
Capta el operando desde memoria o se lee desde el dispositivo de E/S.
•
Operación con los datos (DO):
Ciclo de Instrucción
Operación con los
datos
• DO, data
operation
Alamacenamiento
de operando
• OS, operand store
Interrupciones
Programa
Temporización
E/S
Fallo de
hardware
• Generadas por alguna condición que se produce como resultado de la
ejecución de una instrucción.
• Generadas por un temporizador interno al procesador, OS.
• Generadas por un controlador de E/S, indicando la finalización sin
problema o avisando cierta condiciones de error.
• Generadas por un fallo tal como la falta de potencia de alimentación o un
error de paridad en la memoria.
Las Interrupciones y el ciclo de instrucción
Permite al
procesador
realizar otras
instr. mientras
una operación
E/S está en
curso.
Mientras el disp.
Externo está ocupado
acept. datos de mem.
este proceso es
concurrente con la ejec.
de instr. de usuario
Las llamadas al
Prog. E/S están
constituidas solo
por el cód. de
preparación y la
orden de E/S
Cuando el disp.
ext. Pasa a estar
preparado para
actuar, envía
una señal de
petición de
interrupción
Funcionamieto de las E/S
•
Puede intercambiar datos directamente con el
Prog.
de
usuario
Gestor de
interrupción X
procesador.
•
El procesador puede iniciar una lectura o
escritura en memoria, especificando la
dirección de un aposición de ella.
•
El procesador puede leer o escribir datos de (o
en) un módulo de E/S determinado. En
algunos ocasiones se permiten intercambios
de E/S directamente a memoria, cediendo el
procesador la autoridad para leer de o escribir
en memoria a un módulo de E/S esto recibe el
nombre de Acceso directo a memoria
DMA (Direct Memory Access).
Gestor de
interrupción Y
Leer
Estructura de Interconexión
•
Dirección
El conjunto de líneas que conectan los diversos módulos
se denomina estructura de interconexión. Su diseño
dependerá de los intercambios que deban producirse
entre los módulos.
•
Escribir
Los tipos de intercambios que se necesita indicando las
Datos
Leer
Escribir
formas de las entradas y las salidas por módulos:
•
Memoria: constituido por N palabras de la misma
longitud, a esta se le asigna una única dirección numérica
(0,1,…, n-1); se puede leer de o escribirse a la memoria
utilizando las señales de control Read (leer) y Write
Dirección
Datos inter.
MEM
N Palabras
0
.
.
.
N-1
Datos
Módulo
de
E/S
Datos inter.
M
Puertos
Señales de
interrup.
Datos exter.
Datos exter.
(escribir) y la posición de memoria se especifica
mediante una dirección.
•
Módulo de E/S: es similar a la memoria, hay dos tipos Instrucciones
de operaciones, leer y escribir, y puede controlar más de
un dispositivo externo. A los cuales nos referimos a ellos
como puertos (port), asignadoles direcciones (0,1,
…,M-1) accedidas a través de Señales de Interrupción.
Datos
Señales de
interrup.
Dirección
CPU
Señales de
control
Datos
Estructura de Interconexión
•
Procesador: el procesador lee instrucciones y datos, escribe datos una
vez los ha procesado, y utiliza señales para contralar el funcionamiento
del sistema. Así también puede recibir señales de interrupción.
•
Tipos de Transferencias:
o
Memoria a procesador: el procesador lee una instrucción o un dato desde la
memoria.
o
Procesador a memoria: el procesador escribe un dato en la memoria.
o
E/S a procesador: el procesador lee datos de un dispositivo de E/S a través
de un módulo de E/S.
o
Procesador a E/S: el procesador envía datos al dispositivo de E/S.
o
Memoria a E/S y viceversa: para ambos casos, un módulo de E/S puede
intercambiar datos directamente con la memoria, sin que tengan que pasar a
través del procesador, utilizando el acceso directo a memoria (DMA).
Interconexión con Buses
•
Es un camino de comunicación entre dos o más dispositivos y se caracteriza por ser un
medio de transmisión compartido, conectado a varios dispositivos; cualquier señal
transmitida por uno de esos dispositivos está disponible para que los otros dispositivos
conectados al bus puedan acceder a ella.
•
No se permite la transmisión simultaneas de dos dispositivos, esto puede causar un
solapamiento o distorsión de la señal.
•
El bus esta constituido por varios caminos de comunicación, o líneas. Cada una capaz de
transmitir señales binarias, en un intervalo de tiempo; se puede transmitir una secuencia
de dígitos binarios a través de una única línea.
•
Se pueden utilizar varias líneas de bus para transmitir dígitos binarios simultáneamente
(en paralelo).
•
Existen varios tipos de buses que proporcionan comunicación entre sus componentes a
distintos niveles dentro de la jerarquía del sistema.
•
El bus que conecta los componentes principales del computador se denomina bus del
sistema (system bus)
ESTRUCTURA DEL BUS
CPU
E/S
MEMORIA
Bus
E/S
MEMORIA