Arquitectura del procesador

Funcionamiento y
Arquitecturas de la CPU

UNIDAD I

ELABORADO POR M.E. YESENIA CETINA

•¿CUÁL ES LA
FUNCIÓN BÁSICA DE
UNA
COMPUTADORA?

•¿CUÁL ES LA
FUNCIÓN DEL CPU?

• La función básica de una
computadora es ejecutar
programas, el cual esta
compuesto de un conjunto de
instrucciones almacenadas en
memoria.
• La CPU es la encargada de
ejecutar las instrucciones
especificas del programa. Para
comprender esta función debe
considerarse el detalle del
proceso de ejecución del
programa.

• Desde el punto de vista más
simple, se considera el
Ciclo básico de
procesamiento de una
instrucción
instrucción en dos etapas:

• La CPU lee (busca, trae; fetch en
inglés) la instrucción de
memoria y la ejecuta.
• La ejecución del programa
consiste en la repetición del
proceso de traer y ejecutar la
instrucción. Se detiene sólo si la
computadora se desconecta, se
produce algún error o se
encuentra una instrucción que
detiene la computadora.

• Por ejemplo, suponiendo que la operación
especificada consiste en sumar 2 números
requeridos en 2 registros de la CPU y almacenar
el resultado en un tercer registro de la CPU.

• Para efectuar esta instrucción, la CPU
identificará los 2 registros y generará las señales
de control adecuados para conectar los
registros a la unidad de Aritmética y Lógica
(ULA).

• La CPU también haría que la ULA funcione como
sumadora y dirija la salida hacia el tercer
registro.
• El proceso de realización que especifica una
función se denomina ciclo de ejecución.

• Los nombres ciclos de búsqueda y ciclos de
ejecución derivan de la naturaleza cíclica de la
operación de la computadora una vez que esta
empieza a funcionar repite los ciclos de
búsqueda y ejecución de manera continua. Para
hacer referencia a cada ciclo suele utilizar el
término ciclo de máquina.

• La instrucción traída se almacena en un registro
de la CPU conocido como registro de instrucción
(IR instruction register).
• La CPU interpreta la instrucción y realiza la
acción requerida. En general, ésta puede ser de
cuatro tipos:
• CPU - Memoria: Deben transferirse datos desde la CPU a la
memoria o viceversa.
• CPU - E/S: Deben transferirse datos a o desde el exterior mediante
el módulo de E/S.
• Procesamiento de datos: La CPU realizará alguna operación
aritmética o lógica con los datos.
• Control: Una instrucción puede especificar que la secuencia de
ejecución se altere por lo que la CPU debe poner el contador de
programa al valor adecuado.

ORGANIZACIÓN Y
ARQUITECTURA INTERNA DE LA
CPU
Diagrama de bloques
• Los bloques funcionales básicos son: la unidad de
procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el
procesador de Entrada - Salida.

• Unidad de proceso central: Esta es la responsable de la
interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la
memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la
memoria principal se realizan a través de 2 canales
funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos.

• Para introducir en la memoria, una instrucción específica, la
CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por
el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la
instrucción que está en esa dirección.
• Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar
la operación.

REGISTRO E INSTRUCCIONES DE
LA CPU

• Registros
• Instrucciones
• Aritmética y Lógica
• Movimientos de datos
• Operaciones de datos en bloque
• Instrucciones de control de programa
• Instrucciones de Entrada-Salida

UNIDADES FUNCIONALES
• El procesador se compone de un grupo de unidades
interrelacionadas (o unidades de control). Aunque la arquitectura del
microprocesador varía considerablemente de un diseño a otro, los
elementos principales del microprocesador son los siguientes:

• Una unidad de control que vincula la información entrante para
luego decodificarla y enviarla a la unidad de ejecución: La unidad de
control se compone de los siguientes elementos:
• Secuenciador (o unidad lógica y de supervisión ), que sincroniza la
ejecución de la instrucción con la velocidad de reloj. También envía
señales de control:
• Contador ordinal, que contiene la dirección de la instrucción que se está
ejecutando actualmente;
• Registro de instrucción, que contiene la instrucción siguiente.

UNIDADES FUNCIONALES
• Una unidad de ejecución (o unidad de procesamiento), que cumple
las tareas que le asigna la unidad de instrucción. La unidad de
ejecución se compone de los siguientes elementos:
• La unidad aritmética lógica (se escribe ALU); sirve para la ejecución de
cálculos aritméticos básicos y funciones lógicas (Y, O, O EXCLUSIVO,
etc.);
• La unidad de punto flotante (se escribe fpu), que ejecuta cálculos
complejos parciales que la unidad aritmética lógica no puede realizar;
• El registro de estado;
• El registro acumulador.
• Una unidad de administración del bus (o unidad de entrada-salida)
que administra el flujo de información entrante y saliente, y que se
encuentra interconectado con el sistema RAM;

INTRODUCCION
• Hoy en día, los programas cada
vez más grandes y complejos
demandan mayor velocidad en el
procesamiento de información,
lo que implica la búsqueda de
microprocesadores más rápidos
y eficientes.

• Los avances y
progresos en la
tecnología de
semiconductores, han
reducido las diferencias
en las velocidades de
procesamiento de los
microprocesadores con
las velocidades de las
memorias, lo que ha
repercutido en nuevas
tecnologías en el
desarrollo de
microprocesadores.

Registro Temporal de Memoria
“Buffer” (MBR): Contiene una palabra
que debe ser almacenada en memoria,
o recibe una palabra procedente de la
memoria.
Registro Temporal de Instrucción (IBR):
Almacena temporalmente la
instrucción contenida en la parte
derecha de una palabra.
Registro de Instrucción (IR): Contiene el
código de operación de la instrucción
que se va a ejecutar.
Registro de Dirección de Memoria
(MAR): Especifica la dirección de
memoria de la palabra que va a ser
escrita o leída en MBR.
Contador de Programa (PC): Contiene
la dirección de la siguiente pareja de
instrucciones que se traerán de
memoria.
Acumulador (AC) Multiplicador
Cociente (MQ): Se emplean para
almacenar temporalmente operandos y
resultados de operaciones de la ALU.

• La meta principal es incrementar el
rendimiento del procesador, ya sea
optimizando alguno existente o se desee
crear uno nuevo. Para esto se deben
considerar tres áreas principales a cubrir en el
diseño del procesador y estas son:

• La arquitectura.
• La tecnología de proceso.
• El encapsulado.

• La arquitectura de computadoras se
refiere a los atributos de un sistema que
son visibles a un programador, es decir
aquellos atributos que tienen un impacto
directo en la ejecución lógica de un
programa.

• La tecnología de proceso, se refiere a los
materiales y técnicas utilizadas en la
fabricación del circuito integrado,

• El encapsulado se refiere a cómo se integra un
procesador con lo que lo rodea en un sistema
funcional, que de alguna manera determina la
velocidad total del sistema.

• Aunque la tecnología de proceso y de
encapsulado son vitales en la elaboración de
procesadores más rápidos, es
la arquitectura del procesador lo que hace la
diferencia entre el rendimiento de una CPU
(Control Process Unit) y otra.

ARQUITECTURAS CPU
• Existen dos tipos mas comunes:
• CISC: Su sistema de trabajo se basa en la microprogramación.
Consiste en hacer que cada instrucción sea interpretada por
un miniprograma.

• RISC: Microprocesador con un conjunto de instrucciones muy
reducidas en contraposición.
• Se basan en estructuras simples y por lo tanto su complejidad
total de la CPU es menor.

ARQUITECTURA CISC
• CISC es un modelo de
arquitectura de computadores
(del inglés Complex
Instruction Set Computing).
Computadoras con un
conjunto de instrucciones
complejo.
• Los microprocesadores CISC
tienen un conjunto de
instrucciones que se
caracteriza por ser muy
amplio y permitir operaciones
complejas entre operandos
situados en la memoria o en
los registros internos, en
contraposición a la
arquitectura RISC.

CISC

• La microprogramación es una característica importante y
esencial de casi todas las arquitecturas CISC. Como por
ejemplo:
• Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486.
Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840.

• La microprogramación significa que cada instrucción de
máquina es interpretada por un microprograma
localizado en una memoria en el circuito integrado del
procesador.

• En la década de los sesentas la microprogramación, por
sus características, era la técnica más apropiada para las
tecnologías de memorias existentes en esa época y
permitía desarrollar también procesadores con
compatibilidad ascendente. En consecuencia, los
procesadores se dotaron de poderosos conjuntos de
instrucciones.

• Las instrucciones compuestas son decodificadas
internamente y ejecutadas con una serie de
microinstrucciones almacenadas en una ROM interna.
Para esto se requieren de varios ciclos de reloj (al
menos uno por microinstrucción).

• Este tipo de arquitectura dificulta el
paralelismo entre instrucciones, por lo que, en
la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC
de alto rendimiento implementan un sistema
que convierte dichas instrucciones complejas
en varias instrucciones simples del tipo RISC,
llamadas generalmente microinstrucciones.

• Los CISC pertenecen a la primera corriente de construcción
de procesadores, antes del desarrollo de los RISC. Ejemplos
de ellos son: Motorola 6800, Zilog Z80 y toda la familia Intel
x86 usada en la mayoría de las computadoras personales
actuales.

• Hay que hacer notar, sin embargo que la utilización del
término CISC comenzó tras la aparición de los procesadores
RISC como nomenclatura despectiva por parte de los
defensores/creadores de éstos últimos.

CARACTERÍSTICAS DE LAS CISC
• Reduce la dificultad de crear
compiladores.
• Permite reducir el costo total del sistema
• Reduce los costos de creación de
software.
• Mejora la compactación de código
• Facilita la depuración de errores.
• Muchas instrucciones potentes

CARACTERÍSTICAS DE LAS CISC
• Muchos modos de direccionamiento
• Varios formatos de instrucciones
• Normalmente microprogramados (no
microprogramables)
• La ejecución de las instrucciones lleva
varios ciclos de máquina.

Motorola 6800
Motorola 6803

Zilog Z80 A.
Un Z80 en encapsulado LQFP.

RISC
• De Arquitectura computacional, RISC (del inglés),
Computadora con Conjunto de Instrucciones
Reducidas.
• Buscando aumentar la velocidad del procesamiento se
descubrió en base a experimentos que, con una
determinada arquitectura de base, la ejecución de
programas compilados directamente con
microinstrucciones y residentes en memoria externa al
circuito integrado resultaban ser mas eficientes, gracias
a que el tiempo de acceso de las memorias se fue
decrementando conforme se mejoraba su tecnología
de encapsulado.

• Debido a que se tiene un conjunto de
instrucciones simplificado, éstas se pueden
implantar por hardware directamente en la
CPU, lo cual elimina el microcódigo y la
necesidad de decodificar instrucciones
complejas.

• En investigaciones hechas a mediados de la
década de los setentas, con respecto a la
frecuencia de utilización de una instrucción en un
CISC y al tiempo para su ejecución, se observó lo
siguiente:

• Alrededor del 20% de las instrucciones ocupa el
80% del tiempo total de ejecución de un
programa.

• Existen secuencias de instrucciones simples que
obtienen el mismo resultado que secuencias
complejas predeterminadas, pero requieren
tiempos de ejecución más cortos.

• La relativa sencillez de la arquitectura de los
procesadores RISC conduce a ciclos de diseño
más cortos cuando se desarrollan nuevas
versiones, lo que posibilita siempre la aplicación
de las más recientes tecnologías de
semiconductores.
• Por ello, los procesadores RISC no solo tienden a
ofrecer una capacidad de procesamiento del
sistema de 2 a 4 veces mayor, sino que los saltos
de capacidad que se producen de generación en
generación son mucho mayores que en los CISC.

CARACTERÍSTICAS DE LAS RISC
• Codificación uniforme de instrucciones (ejemplo: el código
de operación se encuentra siempre en la misma posición
en cada instrucción, la cual es siempre una palabra), lo
que permite una decodificación más rápida.
• Estos microprocesadores siguen tomando como base el
esquema moderno de Von Neumann.
• Las instrucciones, aunque con otras características, siguen
divididas en tres grupos:
• a)Transferencia.
b) Operaciones.
c) Control de flujo.

• Reducción del conjunto de instrucciones a
instrucciones básicas simples, con la que pueden
implantarse todas las operaciones complejas.
• Arquitectura del tipo load-store (carga y
almacena). Las únicas instrucciones que tienen
acceso a la memoria son 'load' y 'store'; registro a
registro, con un menor número de acceso a
memoria.

• Casi todas las instrucciones pueden ejecutarse
dentro de un ciclo de reloj. Con un control
implantado por hardware (con un diseño del tipo
load-store), base importante para la reorganización
de la ejecución de instrucciones por medio de un
compilador.
• Pipeline (ejecución simultánea de varias
instrucciones). Posibilidad de reducir el número de
ciclos de máquina necesarios para la ejecución de
la instrucción, ya que esta técnica permite que una
instrucción puede empezar a ejecutarse antes de
que haya terminado la anterior.

• Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que
cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y
así simplificar el diseño del compilador.
• Modos de direccionamiento simple con modos más
complejos reemplazados por secuencias de instrucciones
aritméticas simples.
• Los tipos de datos soportados en el hardware (por
ejemplo, algunas máquinas CISC tiene instrucciones para
tratar con tipos byte, cadena) no se encuentran en una
máquina RISC.

• Además estos procesadores suelen disponer de muchos
registros de propósito general.

• El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es
posibilitar la segmentación y el paralelismo en la
ejecución de instrucciones y reducir los accesos a
memoria.

APLICACIONES DE LOS
PROCESADORES RISC
• Las arquitecturas CISC utilizadas desde hace 15 años han
permitido desarrollar un gran número de productos de
software.

• Ello representa una considerable inversión y asegura a estas
familias de procesadores un mercado creciente. Sin embargo,
simultáneamente aumentan las aplicaciones en las cuales la
capacidad de procesamiento que se pueda obtener del
sistema es más importante que la compatibilidad con el
hardware y el software anteriores, lo cual no solo es válido en
los subsistemas de alta capacidad en el campo de los sistemas.

APLICACIONES DE LOS
PROCESADORES RISC
• Esta clase de equipos se han introducido poco a poco en
oficinas, en la medicina y en bancos, debido a los cada vez mas
voluminosos y complejos paquetes de software que con sus
crecientes requerimientos de reproducción visual, que antes se
encontraban solo en el campo técnico de la investigación y
desarrollo.

APLICACIONES DE LOS
PROCESADORES RISC
• En este tipo de equipos, el software de aplicación, se ejecuta
bajo el sistema operativo UNIX, el cual es escrito en lenguaje
C, por lo que las arquítecturas RISC actuales están adaptadas y
optimizadas para este lenguaje de alto nivel.

• Por ello, todos los productores de estaciones de trabajo de
renombre, han pasado en pocos años, de los procesadores
CISC a los RISC, lo cual se refleja en el fuerte incremento anual
del número de procesadores RISC, (los procesadores RISC de
32 bits han visto crecer su mercado hasta en un 150% anual).

APLICACIONES DE LOS
PROCESADORES RISC
• En pocos años, el RISC conquistará de 25 al 30% del mercado
de los 32 bits, pese al aparentemente abrumador volumen de
software basado en procesadores con el estándar CISC que se
ha comercializado en todo el mundo.

APLICACIONES DE LOS
PROCESADORES RISC
• La arquitectura MIPS-RISC ha encontrado, en el sector de
estaciones de trabajo, la mayor aceptación.

• Los procesadores MIPS son fabricados y comercializados
por cinco empresas productoras de semiconductores,
entre las que figuran NEC y Siemens. Los procesadores de
los cinco proveedores son compatibles en cuanto a las
terminales, las funciones y los bits.
•

• Las máquinas RISC protagonizan la tendencia
actual de construcción de microprocesadores.
PowerPC, DEC Alpha, MIPS, ARM, ... son
ejemplos de algunos de ellos.

DEC Alpha AXP 21064, Microprocesador RISC
un microprocesador R800
RISC

Microprocesador PA-RISC
7300LC

CONCLUSIONES
• Microprocesadores CISC Interpretan y ejecutan
un gran número de instrucciones. Son más
lentos.
• Microprocesadores RISC Interpretan y ejecutan
sólo unas pocas instrucciones. Son mucho más
rápidos que los microprocesadores CISC.
• Todos los microprocesadores utilizados en la
fabricación de ordenadores personales, son de
tecnología CISC.

• Las arquitecturas RISC y CISC son ejemplos de
CPU con un conjunto de instrucciones para
arquitecturas basadas en registros.

• Hay quienes consideran que en
breve los microprocesadores
RISC (reduced instruction set
computer) sustituirán a los CISC
(complex instruction set
computer), pero existe el hecho
que los microprocesadores
CISC tienen un mercado de
software muy difundido, aunque
tampoco tendrán ya que
establecer nuevas familias en
comparación con el desarrollo
de nuevos proyectos con
tecnología RISC.

• Los atributos complejo y
reducido describen las
diferencias entre los dos
modelos de arquitectura para
microprocesadores solo de
forma superficial. Se requiere
de muchas otras
características esenciales
para definir los RISC y los
CISC típicos. Aun más,
existen diversos
procesadores que no se
pueden asignar con facilidad
a ninguna categoría
determinada.

• Así, los términos complejo y reducido,
expresan muy bien una importante
característica definitiva, siempre que no
se tomen solo como referencia las
instrucciones, sino que se considere
también la complejidad del hardware del
procesador.

• Con tecnologías de semiconductores
comparables e igual frecuencia de reloj,
un procesador RISC típico tiene una
capacidad de procesamiento de dos a
cuatro veces mayor que la de un CISC,
pero su estructura de hardware es tan
simple, que se puede realizar en una
fracción de la superficie ocupada por el
circuito integrado de un procesador
CISC.

• Esto hace suponer que RISC reemplazará al
CISC, pero la respuesta a esta cuestión no es tan
simple ya que:
• Para aplicar una determinada arquitectura de
microprocesador son decisivas las condiciones
de realización técnica y sobre todo la
rentabilidad, incluyendo los costos de software.

• Las APUs AMD Fusion Llano están muy cerca de llegar al mercado y gracias
a las últimas filtraciones acabamos de conocer el procesador para portátil
más potente de la nueva gama. Se trata del Fusion A8-3530MX.
• El chip A8-3530MX está fabricado en tecnología de 32nm, dispondrá de 4
núcleos de proceso trabajando a 1,9 GHz y con la posibilidad de Turbo,
para tareas monohilo que le permite escalar hasta 2,6 GHz. Integra
también el chip gráfico Radeon HD 6620G que trabaja a 444 MHz, una
frecuencia más contenida que el de la Radeon H 6310, pero dispone de 400
shaders.
• Fusion A8-3530MX utiliza el nuevo encapsulado FS1 y dispone de un TDP
de 45W, lo normal para procesadores de portátil de gama alta. El
procesador soportará memorias DDR33 de hasta 1.600 MHz y funcionará
junto con los chipsets A60M y A70M.

• IA acaba de anunciar el lanzamiento de VIA QuadCore un
procesador multinúcleo de bajo consumo, de hecho la compañía lo
ha bautizado como el chip de cuatro núcleos de menor consumo del
mercado.
• El chip es muy eficiente energéticamente hablando y promete
un rendimiento interesante para aplicaciones multitarea,
multimedia y de productividad.
• VIA QuadCore Processor tiene un consumo TDP de 27,5
W trabajando a 1,2 GHz, siendo un 21% más eficiente que los
competidores más cercanos. El chip VIA combina cuatro
núcleos Isaiah, de hecho son dos dies de dos núcleos cada uno que
comparten 4 Mbytes de caché L2 y disfrutan de Adaptative
Overclocking y bus V4 a 1.333 MHz.

• La Institución Smithsonian , dice TI ingenieros Gary Boone y
Cochran Michael logró crear la primera microcontrolador
(también llamada microprocesador) en 1971.

•POR SU ATENCIÓN
GRACIAS!!!
:D

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