ARQUITECTURA INTERNA DE UNA MÁQUINA RUDIMENTARIA

1. ARQUITECTURA INTERNA DE
UNA MÁQUINA
RUDIMENTARIA

2. Introducción. ¿De qué trata esta charla?
 ¿Para qué quiero yo usar un ordenador?
 Para que ejecute programas.
 Si quisiera ganarme unos durillos diseñando un ordenador,
¿qué es lo más básico que tendría que saber?
1. Un montón de transistores conectados: chips, placas,
soldar…
2. Un lenguaje en el que poder decirle a esa cosa: “Haz esto”.
 ¡¡Los puntos 1 y 2, son mundos (abstracciones) diferentes!!
 ¿Son independientes o tienen relación?
 Si tienen relación, ¿qué nivel de relación?

3. Introducción. Mundo transistores

4. Introducción. Mundo programas.
 Haz la multiplicación de a por b.
 ¿Relación con aquellos transistores? Sí.

5. Introducción. Estructura Computador.
Modelo Von Newmann
 En 1946 Von Newmann sentó las bases para diseñar un
computador. Su modelo ha sido seguido desde el ENIAC,
primer ordenador electrónico de la historia, hasta los
computadores de hoy en día.

6. Introducción. Modelo Von Newmann
 Un computador está formado por 3 unidades:
 Unidad de Memoria. Almacena las instrucciones y los
datos del programa.
 Unidad Central de Proceso (CPU). Ejecuta las
instrucciones del programa.
 Unidad de Proceso. Realiza las operaciones que ejecutan una
instrucción.
 Unidad de Control. Secuencia esas operaciones para ejecutar
la instrucción correctamente.
 Unidad de Entrada/Salida. Transfiere información entre el
computador y el usuario.

7. Introducción. Modelo Von Newmann
 Las distintas unidades están comunicadas: buses
 Bus de datos.
Transporta instrucciones de memoria a CPU.
Transporta datos entre memoria, CPU y I/O.
 Bus de direcciones.
Dicen a qué posición de memoria se quiere acceder. Las genera la
CPU.
 Bus de control.
Transporta señales entre Unidad de Proceso y Unidad de Control.
Señal de reloj.
Lectura o escritura en memoria.

8. Introducción. Niveles de un computador
 Nivel 1: Lógica digital. Corresponde a la máquina física.
Aquí se ejecutan los programas del usuario. Los transistores
conectados.
 Nivel 2: Lenguaje máquina. Nivel más bajo al que tiene
acceso el usuario. Primer nivel de programación.
 Nivel 3: Sistema operativo. Gestiona y protege los recursos
del computador.
 Nivel 4: Lenguajes de alto nivel. Facilitan la programación.
Necesaria traducción a lenguaje máquina o máquina virtual
que los interprete.
 Nivel 5: Usuario y aplicaciones. Bases de datos, procesadores
de texto, el PowerPoint que estamos usando ahora mismo,…

9. Introducción. Niveles de un computador
 Cada nivel utiliza los recursos que le ofrece el nivel inferior.
 Este trabajo presenta el diseño de los niveles 1 y 2.
 Primero los veremos sobre un computador sencillo.
 Finalmente, sobre el Intel 8086.

10. Índice
1. Máquina Rudimentaria
i. Lenguaje máquina.
ii. Lógica digital de la CPU.
2. Microprocesador Intel 8086
i. Lenguaje máquina.
ii. Lógica digital de la CPU.
iii. Ejemplo.
3. Conclusiones

11. Índice
1. Máquina Rudimentaria
i. Lenguaje máquina.
ii. Lógica digital de la CPU.
2. Microprocesador Intel 8086
i. Lenguaje máquina.
ii. Lógica digital de la CPU.
iii. Ejemplo.
3. Conclusiones

12. Máquina Rudimentaria (MR).
 Es un computador muy sencillo. Se usa con fines pedagógicos,
para explicar los conceptos básicos del lenguaje máquina y la
lógica digital.
 Nuestro enfoque se va a centrar en presentar:
 Lenguaje máquina. ¿Qué puedo expresar?
 Lógica digital. ¿Cómo se ejecuta eso que he expresado?

13. MR. Unidades I/O, Memoria y CPU.
 No tiene Unidad I/O. Podemos pensar que los programas y sus
datos están ya almacenados en memoria.
 Memoria es de 256 palabras de 16 bits. Las instrucciones y los
datos son de 16 bits, así que cada dirección de memoria
almacena una única instrucción o un único dato.
 Bus de direcciones: 8 bits (256 palabras).
 Bus de datos: 16 bits.
 La CPU ejecuta las instrucciones de una en una, en un
“secuenciamiento implícito”. Es decir, busca una instrucción
en memoria (posición n), la trae a CPU, y la ejecuta. Después
busca la siguiente instrucción (pos. n+1),.

14. Índice
1. Máquina Rudimentaria
i. Lenguaje máquina.
ii. Lógica digital de la CPU.
2. Microprocesador Intel 8086
i. Lenguaje máquina.
ii. Lógica digital de la CPU.
iii. Ejemplo.
3. Conclusiones

15. MR. Lenguaje Máquina.
¿Qué puedo expresar?
 Se pueden ejecutar hasta 3 tipos de instrucciones:
 4 Instrucciones aritmético-lógicas (identificador 11).
 Sumar, restar, dividir entre 2, and lógica.
 2 Instrucciones de transferencia con memoria. (id. 00 y 01).
 Cargar dato de memoria y almacenar dato en memoria.
 7 Instrucciones de salto. (id. 10).
 Saltar incondicionalmente, o saltar si: =, != , >, >=, <, <=
 Sólo hay un tipo de datos: enteros.

16. MR. Lenguaje Máquina.
Instrucciones aritmético - lógicas
 Necesito expresar:
 Es una instrucción aritmético-lógica (bits 15-14) de suma de
dos registros (bits 2-0).
 Sus operandos fuentes son los registros R3 y R4 (bits 10-8 y
7-5, resp.) y el resultado de la suma se almacena en el
registro destino (bits 13-11).

17. MR. Lenguaje Máquina.
Instrucciones carga de memoria.
 Necesito expresar:
 Es una instrucción de transferencia con memoria,
concretamente de carga de memoria (bits 15-14).
 La dirección de memoria es d = bits 7-0 + contenido Ri
(desplazamiento, bueno para indexar vectores).
 La palabra de memoria se almacena en Rd.

18. MR. Lenguaje Máquina.
Instrucciones de salto.
 Necesito expresar:
 Es una instrucción de salto (bits 15-14).
 La condición de salto (bits 13-11).
 La dirección de memoria a la que se salta.

19. MR. Lenguaje máquina.
Optimización diseño
 ¿Qué cosas buenas se van viendo de este diseño?
 No todas las instrucciones necesitan los 16 bits. Pero, por
homogeneidad se guardan todas en 16 bits.
 Los bits de identificación de instrucciones están en la
misma posición para los tres tipos de instrucciones.
 Los bits para dirección de memoria están en las mismas
posiciones.
 Los bits para registros están en las mismas posiciones.
 Todo esto va a simplificar el diseño de la lógica digital