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  1. 1. Arquitectura de Procesadores IIntroducción a los microprocesadoresHistoriaQue es un microprocesador ? Es un circuitodigital generalmente bastante complejo querealiza procesamiento de datos, lasoperaciones que se llevan a cabo durantedicho procesamiento son controladas por loque se denomina un programa, este último, esel que le indica al microprocesadorexactamente que es lo que tiene que hacer, porejemplo, leer un dato de un teclado ymandarlo a una pantalla de cristal liquido otomar dos valores de la memoria, sumarlos yponer este resultado en la misma. Figura 1: ObleaLos microprocesadores han cambiaron laforma en las que se realizaban las operacionesde tratamiento de información, y desde queaparecieron en los años 70 no han dejado de evolucionar, el primer microprocesador fue el4004 desarrollado por Intel el cual era muy limitado pues sólo sumaba y restaba datos de4 bits. El 4004 fue el microprocesador que le dio vida a una de las primeras calculadoras electrónicas. Intel lanzo posteriormente, en 1971 el 8008, el que sería el primer microprocesador de 8 bits, luego en 1973 saca al mercado el 8080, microprocesador Figura 2: El 4004 que se utilizaría en la construcción de las primerascomputadoras para el hogar, el aspecto físico de esteprocesador se muestra en la figura . Unos años después,en 1978, Intel lanzó el famoso 8086 y un año y mediomás tarde el 8088 con los cuales se puso en el mercado Figura 3: El 8080el IBM PC que apareció en 1982, con esto Intel estaría enla mayoría de computadores personales hasta llegar al
  2. 2. Arquitectura de Procesadores IPentium IV que es ampliamente utilizado en los computadores de escritorio actuales(2006).En la tabla siguiente se muestra la evolución histórica de los procesadores de Intel: Tecnología Frecuencia Ancho de Nombre Fecha Transistores de MIPS del reloj los datos fabricación 8080 1974 6,000 6 2 MHz 8 bits 0.64 16 bits 8088 1979 29,000 3 5 MHz 0.33 8-bit bus 80286 1982 134,000 1.5 6 MHz 16 bits 1 80386 1985 275,000 1.5 16 MHz 32 bits 5 80486 1989 1,200,000 1 25 MHz 32 bits 20 32 bits Pentium 1993 3,100,000 0.8 60 MHz 100 64-bit bus 32 bits Pentium II 1997 7,500,000 0.35 233 MHz ~300 64-bit bus 32 bits Pentium III 1999 9,500,000 0.25 450 MHz ~510 64-bit bus 32 bits Pentium 4 2000 42,000,000 0.18 1.5 GHz ~1,700 64-bit bus Pentium 4 32 bits 2004 125,000,000 0.09 3.6 GHz ~7,000 "Prescott" 64-bit busArquitectura:Características de un sistema que son visibles por el programador e influyen de maneradirecta en la forma en la que se ejecuta un programa.Organización:Las unidades funcionales y las interconexiones que existen entre ellos para realizar unaarquitectura.
  3. 3. Arquitectura de Procesadores IOrganizacionesExisten hoy en día varios tipos de organizaciones, las más conocidas son Harvard y VonNeumann.Von Neumann.Consiste de 5 componentes básicos: • Unidad de memoria. • Unidad de Entrada. • Unidad de Salida. • Unidad aritmético – lógica. • Unidad de control. Figura 4: Organización Von NeumannSe fundamenta en: • Concepto de programa almacenado. • Programa y datos en la misma memoria. • Los Programas se manejan como datos ( dando lugar a la aparición de los compiladores y los sistemas operativos).
  4. 4. Arquitectura de Procesadores IEste modelo original ha sido modificado en lo que se llama organización basada en buses,tal y como se muestra a continuación.La anterior organización es la que se mantiene aunque con algunos refinamientos en loscomputadores actuales.HardvardEsta organización es muy parecida a la Von Neumann, con la diferencia que existen busesseparados para los diferentes elementos del sistema.Arquitecturas.Las mas ampliamente difundidas son: • Risc, Conjunto reducido de instrucciones. Son procesadores con instrucciones simples y cortas, dando como resultado una gran velocidad de ejecución. Algunos ejemplos de procesadores de este tipo son el 68000 de Motorola y las cpus que utilizan los microcontroladores PIC. • Cisc, Conjunto completo de instrucciones. Procesadores complejos internamente, con muchas instrucciones para el programador, haciéndolos muy flexibles al programarlos. Ejemplos de estos son los de la familia Intel.Antes de continuar con los la descripción detallada de un sistema basado enmicroprocesador, veamos un ejemplo. Suponga como se menciono antes, que se deseasumar dos números, seguiremos la secuencia paso a paso que realiza el procesador para
  5. 5. Arquitectura de Procesadores Irealizar dicha tarea de una manera muy superficial, pero que nos dará una idea básicasobre el comportamiento de los microprocesadores (posteriormente abordaremos elejemplo de una manera más detallada) 1. El procesador esta leyendo constantemente su entrada, ejecutando una instrucción de entrada de datos constantemente (IR=leer entrada). 2. Se presiona la tecla 2. • La unidad de control lee el valor de entrada y lo almacena en el registro A .
  6. 6. Arquitectura de Procesadores I 3. Se presiona la tecla 3. • La unidad de control lee el valor de entrada y lo almacena en el registro B . 4. Se presiona la tecla +. • La unidad de control ordena a la ALU a ejecutar la suma entra A y B, y almacenar el resultado en el registro A.
  7. 7. Arquitectura de Procesadores I 5. Se presiona la tecla =. • La unidad de control envía el dato que hay en el registro A a la salida.Los busesImagine se necesita conectar la salida de un registro de datos a la entrada de dos registrosmás, de tal modo que estos últimos puedan tomar los datos del primero, ¿de qué modo seconectan dichos elementos? Ahora imagine cómo sería el proceso inverso, es decir, quefuese necesario, que dos registros sean fuentes de datos de un tercero, esto es, si A,B y Cson registros, se desea que en un tiempo t0 el dato que hay en A se transfiera a C yposteriormente en otro tiempo t1 el dato que hay en B sea trasferido a C, las dosoperaciones anteriores las denotaremos C<-A y C<-B respectivamente. Para realizar estastransferencias entre registros, podemos optar por el uso de multiplexores tal y como semuestra a continuación:
  8. 8. Arquitectura de Procesadores I Figura 6: Operación C<-B Figura 5: Operación C<-ASe ha utilizado un multiplexor para controlar cuál es el dato que se almacena en el registroC, esto se logra por medio de la señal de control C1, la señal ld C en su flanco de subida, seutiliza para cargar el dato en el registro C.Veamos un ejemplo un poco más complejo, supongamos que queremos realizarconexiones bidireccionales entre los tres registros, dotando al sistema de la posibilidad deintercambiar información entre todos los registros, así: A C B Figura 7: Ejemplo de canales dedicadas
  9. 9. Arquitectura de Procesadores ILa forma de implementar el diagrama de la figura 7 se muestra a continuación: Figura 8: Implementación con canales dedicadosComo puede verse en la figura, cada elemento puede enviar datos a los otros dos, pormedio de los multiplexores conectados a su salida. Realicemos las operaciones C<-A, A<-B, la secuencia que deben seguir las señales son: • Seleccionar la entrada de C como A y la de A como B, así:
  10. 10. Arquitectura de Procesadores I • Activar las líneas de carga de los registros destino, ld_C y ld_A, en ese orden, pues A es fuente de una de las operaciones y destino de la otra. Las siguientes dos figuras muestran el proceso:La forma anterior de conectar elementos de un sistema no es la única que se puede usar,existe otra posibilidad, el uso de buses, con ellos el número de elementos necesarios paraconstruir el sistema se reduce debido al no uso de multiplexores. Un bus es una conexióncompartida por múltiples elementos para transmitir y/o recibir datos. Vemos la mismaconexión de los registros anteriores realizada con buses.
  11. 11. Arquitectura de Procesadores I Figura 9: Conexión en busEn la figura 9 se muestra que para formar el bus, se agregaron buffers triestado a lassalidas de los registros y se conectaron, puede observarse que como no hay ninguna señaloe activa el bus aparece en estado de alta impedancia (color naranja).Cuando es necesario poner un dato en el bus se activa al señal oe del registrocorrespondiente, como se muestra a continuación Figura 10: Dato en el busAhora si queremos realizar alguna operación de transferencia como por ejemplo A<-B,podemos hacer la siguiente modificación al circuito.
  12. 12. Arquitectura de Procesadores IPara realizar la transferencia mencionada se activa la señal ld_A, mientras en el bus está eldato correspondiente al registro B. Figura 11: Transferencia A<-BEs necesario aclarar que para que no existan conflictos con los datos que aparecen en elbus la sincronización de las señales debe ser cuidadosa, pues podría crearse un cortocircuito entre las salidas de los buffers estropeándolos. Para implementar el sistema tal ycomo se planteo solo hay que conectar la entrada de todos los registros al bus. Figura 12:
  13. 13. Arquitectura de Procesadores IBuses del sistemaComo se había mencionado antes, en un sistema basado en procesador generalmenteaparecen los siguientes buses: 1. Bus de datos: Utilizado para que el microprocesador intercambie información con otros elementos del sistema y en algunos casos entre dispositivos. 2. Bus de direcciones: Usado para indicar cuál es el elemento que con el que se realizará la transferencia de datos. 3. Bus de control: Indica la dirección, tipo y otras características de la operación de transferencia.Para la explicación del funcionamiento de los buses de un sistema basado en procesador esnecesario tener claro como funcionan los elementos básicos de almacenamiento, lasmemorias

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