La CPU contiene registros que almacenan operandos y resultados de operaciones. La ALU realiza operaciones sobre los datos de entrada de los registros generales. El resultado se almacena en otro registro. La CPU se comunica con la memoria principal y dispositivos de E/S. Ejecuta instrucciones siguiendo un ciclo de alimentar, decodificar y ejecutar. Las patillas de la CPU incluyen señales de datos, direcciones y control para comunicarse con otros componentes.

1. Adaptado por:
Ing. Andrés Tovar
Ing. Francisco Vargas
Arquitectura de Computadores
ARQUITECTURADE COMPUTADORES:ARQUITECTURADEL
PROCESADOR

2. Conceptos básicos
Vamos a comenzar la descripción de la estructura e
interfaz de los componentes básicos de un sistema de
computación, esto es, la CPU, la memoria y los
dispositivos de entrada/salida.
Vamos a dedicarnos expresamente a la estructura e
interfaz hardware de la CPU y en el siguiente capítulo
veremos su interfaz software, es decir, el lenguaje
máquina.
Comenzaremos recordando la estructura básica de
una CPU y el ciclo de ejecución de las instrucciones. A
continuación veremos la descripción de las patillas
que suelen ofrecer los microprocesadores.

3. Launidad Central de Proceso

4. La Unidad Central de Proceso (CPU) contiene una serie de
registros de memoria que contienen los operandos y el
resultado de las operaciones. Los datos de los registros
generales que contienen los operandos se llevan a los
registros de entrada de la Unidad Aritmético-Lógica (ALU),
la cual realiza la operación sobre los datos de entrada.
El resultado de la operación realizada se obtiene en el
registro de salida de la ALU, que posteriormente se
almacena en otro de los registros de memoria. Todo esto se
realiza bajo la coordinación de la Unidad de Control.
También hay conexiones entre la CPU y la memoria
principal (y los dispositivos de E/S) pues de ella se extraen
las instrucciones y los operandos, y a ella suelen ir a parar
los resultados de las operaciones.

5. Ciclode Instrucción

6. Una CPU con arquitectura von Neumann ejecuta las instrucciones
según el ciclo alimentar-decodificar-ejecutar.
En el grafo de arriba se puede ver la descripción detallada de este ciclo,
que se explica por sí solo. Se comienza por extraer una instrucción de la
dirección de memoria indicada por el Contador de Programa (CP) para
cargarla en el registro de instrucción de la CPU. Acto seguido se
incrementa dicho CP con la longitud de la instrucción alimentada. A
continuación se decodifica la instrucción, es decir se averigua cuál es la
operación a realizar.
Seguidamente se debe calcular la dirección de los operandos, tarea
cuya dificultad varía en función de los modos de direccionamiento
utilizados. Una vez obtenida la dirección de los operandos, se extraen o
bien de la propia instrucción, o bien de los registros generales o de la
memoria principal. Por último, los operandos se hacen pasar por la
ALU y el resultado se almacena en alguno de los registros generales o
en alguna dirección de memoria principal.

7. Interfaz Hardwarede la CPU

8. Las patillas de un microprocesador se pueden organizar en tres grupos:
direcciones, datos y control.
Las señales de datos indican el número de bits que se pueden transmitir en
paralelo entre la CPU y la memoria o dispositivos periféricos. Generalmente
se corresponde con el tamaño de la palabra (tamaño de los registros
generales de la CPU), aunque puede no ser así (en el Intel 8088, la palabra es
de 16 bits y el bus de datos de 8, lo cual obliga a que el acceso a una palabra se
realice con dos ciclos de acceso a memoria). Los buses de datos suelen contar
con 8, 16, 32 y, actualmente, como es el caso de Pentium y PowerPC, con 64
hilos.
Las señales de direcciones determinan el espacio de direccionamiento a la
memoria principal del procesador; así, un procesador con 32 pines puede
direccionar 232 bytes. Un número típico de hilos de direcciones es 16, 20, 24 y
32, con los que se consigue un espacio de direccionamiento de hasta 4
Gbytes.
Además de estas señales de datos y direcciones, también cuentan con
algunas señales de control. Entre éstas se encuentran la señal que indica si
el acceso a memoria es de lectura o escritura, la tensión de alimentación
(alrededor de 5 V.), toma de tierra y reloj

9. Las señales restantes tienen unas aplicaciones que se pueden agrupar
en las siguientes categorías:
 Arbitraje del bus. Controlan y evitan que dos o más dispositivos
intenten utilizar los buses de direcciones y datos simultáneamente.
(La CPU es un dispositivo más).
 Interrupciones. Las interrupciones son señales de entrada que
provienen de los dispositivos de entrada/salida. Se utilizan para
comunicarle al procesador que una operación encargada
previamente ya se ha realizado, que ha habido algún error o
simplemente que hay información disponible para la CPU, por
ejemplo porque se ha recibido algún carácter por una línea de
comunicaciones. Una interrupción muy especial es la de RESET, que
rearranca el procesador.
 Comunicación con el coprocesador. Aunque cada vez es más
común incluirlos en el propio procesador principal, cuando los
procesadores especializados de operaciones numéricas o gráficas
están separados de la CPU, se cuenta con unas líneas de
comunicación directa con ellos para sincronizar las operaciones.
 Estado. Estas señales dan información del estado o tipo de proceso
que se está realizando: alimentando una instrucción, leyendo datos,
escribiendo datos, tratando una interrupción

10. Tiposdepines

12. Ciclodereloj, Memoriade instrucción

13. Un Ciclo de Memoria (también conocido como ciclo de bus) es el
nombre genérico del ciclo de lectura o escritura en memoria. Vamos a
definir y relacionar los conceptos de Ciclo de Reloj, Ciclo de Memoria (o
de bus) y Ciclo de Instrucción.
Los Ciclos de Reloj están generados por un oscilador de cuarzo, y
constituyen la unidad de tiempo del sistema, de tal manera que la
duración de cualquier operación dentro del sistema se mide en ciclos de
reloj. En un ordenador pueden ser distintas las velocidades de la CPU y
la del bus (que suele ser más lenta), por eso nosotros vamos a referirnos
siempre a los tiempos desde el punto de vista del reloj de la CPU.
Supongamos que tenemos una CPU MC68000, que cuenta con un bus
de datos de 16 bits, en la que se van a ejecutar las dos instrucciones que
se muestran arriba.
La primera instrucción ocupa 2 bytes, y simplemente escribe una
constante en un registro de la CPU. Así, para extraerla de memoria
necesita únicamente un ciclo de lectura. Para su ejecución no requiere
ningún ciclo de memoria adicional, únicamente algún ciclo de reloj para
decodificar y ejecutar la instrucción.

14. La segunda instrucción ocupa 32 bits, y escribe una constante en una
dirección de memoria. Por esto, se requieren dos ciclos de lectura
solamente para extraer la instrucción. Su ejecución requiere un tiempo
para decodificar la instrucción y extraer la constante de la segunda
palabra de la instrucción más un ciclo de escritura para escribir la
constante en memoria. Esto suma en total 3 ciclos de memoria, más unos
cuantos más de reloj.
El conjunto de ciclos de reloj que requiere un procesador para extraer y
ejecutar una instrucción se denomina Ciclo de Instrucción.
Como hemos visto, un ciclo de instrucción ocupa uno o más ciclos de
memoria para extraer la instrucción, después consume algún ciclo más de
reloj para decodificación y ejecución de la instrucción. Esto puede incluir
algún ciclo de memoria adicional para leer operandos o escribir el
resultado.
La extracción y ejecución de una instrucción requiere una serie de ciclos
de reloj completos. El tiempo correspondiente a estos ciclos de reloj
puede estar ocupado por accesos a memoria (ciclos de memoria) o por
ejecución interna de la CPU. Obviamente, los ciclos de memoria
consumidos son ciclos completos, es decir, que no tiene sentido decir que
una instrucción requiere 3,5 ciclos de memoria.

16. Fuentes
Este material e información guía se encontraba en el siguiente artículo:
http://www.dia.eui.upm.es/asignatu/arq_com/Paco/2-CPU.pdf