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Ensayo ciclo De Instrucción
- 1. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE HUAUCHINANGO Carrera:Sistemas Computacionales Materia: Arquitectura de Computadoras Tema: Ensayo “El ciclo de instrucción” Maestro: Julio Andrés Ávila Fonseca Alumna: Alejandra Rubí Viveros León Semestre: Quinto Turno: Matutino
- 2. INDICE INTRODUCCIÓN:.................................................................................................................................2 “El ciclo deinstrucción”.......................................................................................................................3 1. Ciclo Fetch-Decode-Execute.............................................................................................................4 2. Segmentación de instrucciones........................................................................................................7 Conclusión:......................................................................................................................................12 Bibliografía:......................................................................................................................................13 INTRODUCCIÓN: En este ensayo veremos a cerca del ciclo de la instrucción, los procesos quese pasan para llevar a cabo dicho ciclo, también a cerca de la Segmentación de instrucciones, queinstrucciones son las que se llevan a cabo y como es el Conjunto de instrucciones, cada una de sus Características y sus funciones. Y finalmente sobrelos Modos de direccionamiento y formatos.
- 3. “El ciclo deinstrucción” Una CPU loque hace esejecutarlasinstruccionesde unprogramasituadoenunamemoria.Pero, ¿sabíaisque todossiguenlasmismasnormasgenerales?Todossiguenel mismociclode instrucción,el cual se divide entresetapasdiferenciadasllamadasFetch,DecodeyExecute,lascualesse traducen como captación,descodificaciónyejecución.Osexplicamoscómofuncionanestasetapasycomose organizan. Con tal de simplificaryhacermás entendiblelosconceptosexplicadoseneste artículohemosdecidido describirunprocesadorsumamente simpleparalostiemposque corren,porloque eneste artículo veréisunaexplicaciónde loque sonlosciclosde instrucciónde manerageneralizadaque se puede aplicardesde losprimerosprocesadoresde 8bitsa losmás complejosque hayhoyendía Visualizando el ciclo de instrucción Los procesadoresnosondiferentesdesde ciertopuntode vistaa un motor de combustión,loscualessiempre realizan un procesocontinuode explosióndelcombustibleen diferentesetapas,yaseande 2 tiemposode 4 tiempos.El motivode elloesque losprocesadoresfuncionanentres etapasdistintasensuversiónmássimple que sonlas siguientes: Fetcho Captación:En la que la instrucciónescaptadadesde lamemoriaRAMy copiada a dentrodel procesador. Decode o Descodificacion:Enlaque la instrucciónpreviamentecaptadaesdescodificaday enviadaalas unidadesde ejecución Execute oEjecución:Donde lainstrucciónesresueltayel resultadoescritoenlosregistrosinternosdel procesadoro enuna direcciónde memoriade laRAM Estas tresetapa se cumplenentodoprocesador,existeunacuarta etapaque esla de Write-Backque es cuandolas unidadesde ejecuciónescribenel resultado,peornormalmente estose cuentadentrode la etapade ejecucióndel ciclode instrucción.
- 4. 1. Ciclo Fetch-Decode-Execute. Laprimeraetapadel ciclode instrucciónse encargade captar las instruccionesque hayenlamemoria RAMasignadaal procesadora travésde una serie de unidadesyregistrosque sonlassiguientes: Program CounteroContadorde Programa:El cual apuntaa la siguiente líneade memoriadonde se encuentralasiguiente instruccióndel procesador.Se incrementaen1su valorcada vezque se terminaun ciclocompletode instrucciónocuandounainstrucciónde saltocambiael valor del contadorde programa. MemoryAddressRegisteroregistrode direccionamientode memoria:El MAR copiael contenidodel PCylo envíaa la RAMa travésde lospinesde direccionamientode laCPU,los cualesestáncableadosconlospinesde direccionamientode lapropiamemoriaRAM. MemoryData Registeroregistrode datosa memoria:En el caso que la CPU tengaque realizar una lecturaa memoria,loque hace el MDR escopiar el contenidode esadirecciónde memoria a un registrointernode laCPU, el cual es unregistrotemporal de pasoantesde que su contenido seacopiadoal InstructionRegister.El MDR al contrariodel MAR estáconectadoa los pinesde datosde la RAMy no a los de direccionamientoyenel casode que se trate de una instrucciónde escriturael contenidode loque se quiere escribirenlaRAMtambiénse escribe enel MDR InstructionRegisteroRegistrode Instrucción:Laparte final de laetapa de captacióno fetches la escriturade la instrucciónenel registrode instrucción,delcual launidadde control del procesadorcopiarásu contenidoparala segundaetapadel ciclode instrucción. Estas 4 sub-etapasocurrenentodoslosprocesadoresseacual seasuutilidad,arquitecturay compatibilidadbinariaoloque llamamosISA. La unidad de control
- 5. La unidadde controlesla piezamáscompleja que existeenunprocesadorysustareas sonlas siguientes: Se encargan de coordinarel movimientoyel ordenenque de losdatosque se muevendentroy fueradel procesador,asíde lasdiferentessubunidadesque se encargande ello. En general se consideraque lasunidadesde laetapade captacióno Fetchformanparte del hardware que llamamosunidadde control ydichohardware esllamadotambiénel Front-Ende un procesador. Interpretalasinstruccionesylasenvíaa lasdiferentesunidadesde ejecución alasque está conectado. Esta comunicadoa lasdiferentesALUsyunidadesde ejecucióndel procesadorque actúan Se encarga de captar y descodificarlasinstrucciones,sinotambiénde escribirlosresultadosen losregistros,cacheso enla direccióncorrespondiente de laRAM. La unidadde control loque hace esdescodificarlasinstruccionesyestolohace porque cada instrucción enrealidadnodejade ser unaespecie de oraciónendonde primerovael verboyluegoel objetodirecto u objetosobre el que se hace la acción.El sujetose acaba eliminandoeneste lenguajeinternode los ordenadoresporel hechoque se sobre-entiendeque esel propioordenadorel que loejecuta, asípues cada cantidadde bitsesuna oracióndonde losprimeros1 y0 correspondenala accióny losque vienen a continuaciónesel datoo la localizacióndel dato que se quiere manipular. La segunda etapa: Decode Hay diferentes tipos de instrucciones y no todas hacen lo mismo, por lo que dependiendo del tipo de instrucción necesitamos saber hacía que unidades de ejecución se van a enviar y la manera más clásica de hacerlo es a través de lo que llamamos un descodificador, el cual toma
- 6. cada instrucción, ladivide internamente según el opcode o instrucción y el dato o la dirección de memoria donde se encuentra este. Por ejemplo en el diagrama de arriba tenemos el diagrama de un procesador de solo 8 instrucciones, las cuales se pueden codificar en solo 3 bits. Cada una de las instrucciones una vez descodificadas se envía a las diferentes unidades de ejecución que las resolverán. Este ciclo de instrucción es el más complejo de todo y el que define el tipo de arquitectura. Dependiendo si tenemos un conjunto de instrucciones reducido o complejo esto afectará a la naturaleza de la unidad de control, dependiendo del formato de la instrucción o de cuantas se procesen al mismo tiempo la fase de descodificación y por tanto la unidad de control tendrá una naturaleza u otra. La forma más fácil de visualizar lo que ocurre es pensar en las instrucciones como trenes circulando a través de una compleja red ferroviaria y la unidad de control dirigiéndolos a una estación término, la cual es la unidad de ejecución que se encargará de resolver la instrucción. Tercera etapa: Execute La última etapa es la de la ejecución de las instrucciones, en esta etapa las instrucciones son resueltas, pero no todos los tipos de instrucción se resuelven de la misma forma, ya que la
- 7. forma de utilizarel hardware dependerá de la función de cada una de ellas, en general tenemos cuatro tipos de instrucciones: Instrucciones de movimiento de bits: En el cual se manipula el orden de los bits que contienen el dato. Instrucciones aritméticas: Donde se realizan operaciones matemáticas y también lógicas, estas se solucionan en las llamadas ALU o unidades aritmético-lógicas Instrucciones de salto: En la que se cambia la siguiente el valor del contador de programa, lo que permite utilizar el código de manera recursiva. Instrucciones a memoria: Son con las que el procesador lee y escribe la información de la memoria del sistema. El otro punto son los formatos de la instrucción, ya que una instrucción se puede aplicar a un dato, escalar o a varios datos al mismo tiempo, lo que conocemos como SIMD. Para terminar y dependiendo del formato de los datos, hay diferentes tipos de ALU para la ejecución de las instrucciones aritméticas, por ejemplo tenemos unidades de enteros y en coma flotante como unidades diferenciadas a día de hoy. Una vez la instrucción ha sido terminada se escribe el resultado sobre una dirección de memoria en concreto y se pasa a ejecutar la siguiente, algunas instrucciones no manipulan los valores de memoria sino ciertos registros. Así pues el registro del contador de programa es modificado por las instrucciones de salto, si queremos leer o escribir un dato entonces se manipulan los registros MAR y MDR. 2. Segmentación de instrucciones. La segmentaciónde lasinstrucciones(pipeline)consisteendividirel ciclode ejecuciónde las instruccionesenunconjuntode etapas.Estasetapaspuedencoincidironocon las fasesdel ciclode ejecuciónde lasinstrucciones. El objetivode lasegmentaciónesejecutarsimultáneamente diferentesetapasde distintasinstrucciones, locual permite aumentarel rendimientodel procesadorsintenerque hacermásrápidastodaslas unidadesdel procesador(ALU,UC,buses,etc.) ysintenerque duplicarlas. La divisiónde laejecuciónde unainstrucciónendiferentesetapasse deberealizarde tal maneraque cada etapa tengalamismaduración,generalmente unciclode reloj.Esnecesarioañadirregistrospara almacenarlosresultadosintermediosentre lasdiferentesetapas, de modoque lainformacióngenerada enuna etapaesté disponible paralaetapasiguiente.
- 8. Ejemplode segmentaciónde instrucciones Lasegmentaciónescomounacadena de montaje.Encada etapa de la cadenase llevaa cabo unaparte del trabajototal y cuando se acaba el trabajo de una etapa,el productopasa a la siguienteyasí sucesivamente hastallegaral final. Si hay N etapas,se puede trabajarsobre N productosal mismotiempoy,si la cadenaestábien equilibrada,saldráunproductoacabadoen el tiempoque se tardaen llevaracabo una de las etapas.De estamanera,no se reduce el tiempoque se tarda enhacer unproducto,sinoque se reduce el tiempo total necesarioparahacer una determinadacantidadde productosporque lasoperacionesde cada etapase efectúansimultáneamente. Si consideramosque el productoesunainstrucciónylas etapassoncada unade lasfasesde ejecución de la instrucción,que llamamosetapade segmentación,hemosidentificadoloselementosyel funcionamientode lasegmentación. Veámoslográficamente.Presentamosunmismoprocesoconinstruccionesde tresetapas,enel que cada etapa tarda el mismotiempoenejecutarse,resueltosinsegmentaciónyconsegmentación: Son necesarias nueve etapas para ejecutar las tres instrucciones. Son necesarias cinco etapas para ejecutar las tres instrucciones. Se ha reducido el tiempo total que se tarda en ejecutar las tres instrucciones, pero no el tiempo que se tarda en ejecutar cada una de las instrucciones.
- 9. 3. Conjunto deinstrucciones: Características y funciones. El conjunto de instrucciones que maneja una computadora es una pieza fundamental para el funcionamiento de ésta debido a que las instrucciones se comunican directamente con el procesador para hacer un manejo adecuado de los datos que están procesando y dependiendo del tipo de set de instrucciones que un CPU entienda nos dirá el tipo de programas que una computadora puede llegar o no a soportar, esto responde muchas veces a las interrogantes de porque no podemos utilizar las mismas aplicaciones de un dispositivo a otro y muchas veces es por la diferencia de procesadores y el conjunto de instrucciones que maneja uno respecto al otro. Sin embargo, aunque haya diferencias, -Ortogonales (Simétricas) La ortogonalidad es una característica de las instrucciones que se considera algo amplia en términos de lo que requiere una instrucción o un conjunto de instrucciones para ser considerado ortogonal en primera instancia se dice que las instrucciones en un conjunto deben de poder ser fuente y destino de cualquier elemento de la arquitectura del CPU con esto se refiere a que las instrucciones no solo deben de ser independientes en el sentido de que cada una haga una función y única que no repita lo que hace otra, sino que en conjunto el set de instrucciones debe de ser independiente y consistente en el sentido de que cualquier operando pueda ser direccionado con cualquier tipo de direccionamiento y cualquier tipo de direccionamiento pueda direccionar a cualquier tipo de operar en una instrucción, así que por ejemplo no puede existir un registro que sea para un tipo específico de operar. Entre más de esta característica posea un conjunto de instrucciones se dice que es más ortogonal que otro. -Riesgo Un juego de instrucciones Cisc se caracteriza por un número reducido de instrucciones además del uso de pipelining que permite al procesador dividir la ejecución de una instrucción en distintas fases incrementando de esa manera la velocidad de ejecución. Otra característica importante es el uso de instrucciones ortogonales (explicadas anteriormente) lo cual le permite que cualquier tipo de operación pueda direccionarse de distintas formas. A la hora de realizar operaciones de distintos tipos Cisc solo permite que estas sean operaciones realizadas sobre registros, no permite trabajar sobre memoria a menos que sean instrucciones exclusivamente
- 10. para acceder amemoria o para guardar datos en memoria, por eso mismo Cisc brinda una muy basta cantidad de registros para trabajar sobre estos. Enfocándonos en la forma de programar con un juego de instrucciones Cisc, esto generalmente requiere de más código debido a la simplicidad de sus instrucciones ya la poca cantidad con las que se cuenta para trabajar. -Cisc A diferencia del set de instrucciones Cisc, este set tiene una cantidad de instrucciones considerable pero dichas instrucciones no suelen ejecutarse por medio de segmentación o pipelining, sus instrucciones no son ortogonales eso quiere decir que se debe tener cuidado con los registros que se utilizan debido a que no se pueden direccionar de cualquier forma los datos sobre cualquier registro, se debe especificar en la instrucción. En este conjunto de instrucciones se permite trabajar en memoria además de los registros teniendo más espacio disponible para utilizar a conveniencia en memoria y por consiguiente el número de registros es más pequeño ya que contamos con ese extra en memoria. A la hora de programar en Risc se requiere menor esfuerzo debido a que se puede utilizar el lenguaje C lo que permite al programador realizar tareas específicas sin utilizar demasiado código debido a que cada instrucción puede realizar tareas más complejas. -La segmentación de instrucciones es similar al uso de una cadena de montaje en una fábrica de fabricación. En las cadenas de montaje, el producto pasa a través de varias etapas de producción antes de tener el producto terminado. Cada etapa o segmento de la cadena está especializada en un área específica de la línea de producción y lleva a cabo siempre la misma actividad. Esta tecnología es aplicada en el diseño de procesadores eficientes. A estos procesadores se les conoce como procesadores de tuberías. Estos están compuestos por una lista de segmentos lineales y secuenciales en donde cada segmento lleva a cabo una tarea o un grupo de tareas computacionales. Los datos que provienen del exterior se introducen en el sistema para ser procesados. La computadora realiza operaciones con los datos que tiene almacenados en memoria, produce nuevos datos o información para uso externo. Las arquitecturas y los conjuntos de instrucciones se pueden clasificar considerando los siguientes aspectos: Almacenamiento de operando en la CPU: dónde se ubican los operando aparte de la memoria. Número de operando explícitos por instrucción: cuántos operando se expresan en forma limpia en una instrucción típica. Normalmente son 0, 1, 2 y 3. Posición del operando: ¿Puede algún operando estar en memoria?, o deben estar
- 11. algunos o todosen los registros internos de la CPU. Cómo se especifica la dirección de memoria (modos de direccionamiento disponibles). Operaciones: Qué operaciones están disponibles en el conjunto de instrucciones. Tipo y tamaño de operación y cómo se especifican 4. Modos de direccionamiento y formatos. Contar con diferentes formatos de instrucciones, implica contar con diferentes formas de obtener los operando de las instrucciones. Por lo general a estas múltiples formas se les conoce como modos de direccionamiento. Los modos de direccionamiento en MIPS son: Direccionamiento por registro, donde los operando son registros. Los datos a operar están contenidos en 2 registros de 32 bits y el resultado será colocado en otro registro, del mismo tamaño. Ejemplos de instrucciones que usan este modo de direccionamiento: add, sub, slt, etc. Direccionamiento base o desplazamiento, donde uno de los operando está en una localidad de memoria cuya dirección es la suma de un registro y una constante que forma parte de la misma instrucción. Ejemplos de instrucciones que usan este modo de direccionamiento: lw, sw, etc. Direccionamiento inmediato, donde uno de los operando es una constante que está en la misma instrucción. Ejemplos de instrucciones que usan este modo de direccionamiento: addi, slti, etc.
- 12. Direccionamiento relativo alPC, donde se forma una dirección sumando una constante, que está en la instrucción, con el registro PC (Program Counter). El resultado de la suma corresponde a la dirección destino si un brinco condicional se va a realizar. Ejemplos de instrucciones que usan este modo de direccionamiento: beq y bne. Direccionamiento pseudo directo, donde la dirección destino de un salto corresponde a la concatenación de 26 bits que están en la misma instrucción con los bits más significativos del PC. Ejemplos de instrucciones que usan este modo de direccionamiento: j y jal. Es importante mencionar que estamos estudiando una arquitectura con direcciones de 32 bits, sin embargo, MIPS, como muchas otras arquitecturas, tiene una extensión que maneja direcciones de 64 bits. Esto como una respuesta a la necesidad de manejar programas cada vez más grandes. Conclusión: Estos temassonmuy importantesyaúnmás conocerlos,comoel ciclo Fetch-Decode-Execute. Desde lo que significahastasabercada una de susetapas, así mismode Segmentaciónde instruccionesoel Conjuntode instruccionessabercadauna de sus Característicasy sus funciones,de igual Modosde direccionamientoyformatosyel procesoque se llevaacabo encada modo.
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