Microprocesadores_Introduccion_al_funcio

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INFORMÁTICA 
BÁSICA 
Tema 6 Microprocesadores. 
Introducción al funcionamiento 
del microprocesador 
 
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CONTENIDO DEL CAPÍTULO 
 Introducción 
 Unidad de Control y Unidad Aritmético Lógica 
 Organización de los registros 
 Repertorio de instrucciones y ejecución 
 Importancia de una instrucción 
 Juego de instrucciones 
 Interrupciones 
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CONTENIDO DEL CAPÍTULO 
 Introducción 
 Unidad de Control y Unidad Aritmético Lógica 
 Organización de los registros 
 Repertorio de instrucciones y ejecución 
 Importancia de una instrucción 
 Juego de instrucciones 
 Interrupciones 
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MICROPROCESADOR: EL EJE CENTRAL 
 Micro-procesador: procesador 
fabricado en un único circuito integrado 
 Unidad Central de Proceso: 
 Unidad de control (UC): gestiona el 
funcionamiento de la CPU y por tanto del 
computador. 
 Unidad aritmético-lógica (ALU): lleva a 
cabo las funciones de procesamiento de 
datos del computador. 
 Registros: almacenamiento interno. 
 Interconexiones CPU: Son mecanismos 
que proporcionan comunicación entre la 
unidad de control, la ALU y los registros. 
 Precisa de un reloj para coordinar todas 
las operaciones 
 Abstracto: 
 Hace cálculos 
 Mueve datos 
 
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FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL MICROPROCESADOR 
 Existen dos estructuras básicas: 
 Estructura von Neumann: 
 La memoria principal comparte datos e instrucciones. 
 Es el paradigma más común en arquitectura de computadores. 
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FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL MICROPROCESADOR 
 Existen dos estructuras básicas: 
 Estructura Harvard: 
 Dispositivos de almacenamiento físicamente separados para 
las instrucciones y para los datos 
 Suele utilizarse en DSPs, o procesador de señal digital, usados 
habitualmente en productos para procesamiento de audio y 
video. 
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FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL MICROPROCESADOR (2) 
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Memoria 
Entrada-
Salida 
(E/S) 
Bus de 
direcciones 
B
us
 d
el
 s
is
te
m
a
 
Bus de 
datos 
Bus de 
control 
CONTENIDO DEL CAPÍTULO 
 Introducción 
 Unidad de Control y Unidad Aritmético Lógica 
 Organización de los registros 
 Repertorio de instrucciones y ejecución 
 Importancia de una instrucción 
 Juego de instrucciones 
 Interrupciones 
 
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UNIDAD DE CONTROL 
 Realiza funciones organizativas (micro-
operaciones) con respecto a los elementos del 
procesador para que participen en la ejecución de una 
instrucción. 
 Una micro-operación corresponde a acciones como: 
 Mover datos dentro de la CPU, 
 Transferencia de un dato a un bus, etc. 
 Es IMPERIOSAMENTE necesario sincronizar estas 
etapas: 
 Un ciclo de reloj es la unidad de tiempo atómica para la 
ejecución de las operaciones dentro del procesador. 
 Las operaciones se realizan dentro del ciclo de reloj o en 
múltiplos de estos ciclos de reloj. 9 
UNIDAD DE CONTROL (2) 
 Entradas de una UC: 
 Reloj: marca con ciclos de reloj la ejecución de las 
micro-operaciones. 
 Registro de Instrucción: contiene la instrucción 
que determina las micro-operaciones a realizar. 
 Indicadores: determinan el estado del 
microprocesador y resultados de operaciones 
anteriores. 
 Señales de control del bus de control: p. ej: señales 
de interrupción y de reconocimiento. 
 Salidas de una UC: 
 Señales de control internas al procesador 
 Señales de control hacia el bus de control: hay de dos 
tipos, de memoria y de módulos de E/S. 10 
UNIDAD DE CONTROL (3) 
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UNIDAD DE CONTROL (4) 
 La UC puede ser de dos tipos: 
 Cableada: diseñada específicamente sobre el silicio 
para un juego de instrucciones concreto. 
 Microprogramada: es genérica o prediseñada e 
implementan un juego de instrucciones u otro 
dependiendo de un microprograma. 
 Hoy día la microprogramación ha desaparecido 
prácticamente por completo: 
 Las unidades de control cableadas tienen un 
rendimiento significativamente mayor. 
 Existen herramientas avanzadas para diseñar 
complejas UCs con millones de transistores 
litografiados. (VHDL) 
 
 
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UNIDAD ARITMÉTICO LÓGICA 
 Las operaciones se realizan siempre sobre algún 
registro/memoria y apoyándose en el acumulador. 
 El resultado de las operaciones es almacenado en el 
acumulador. 
 Algunas operaciones pueden activar la palabra de estado: flags / 
indicadores. 
 Algunas operaciones aritméticas lógicas típicas: 
 Sumas, Restas 
 Desplazamiento a la izquierda/derecha (multiplicar / dividir por 2) 
 Incrementar o decrementar en 1 el acumulador 
 OR, AND, XOR, etc, entre un par de registros. 
 Adicionalmente, puede existir un co-procesador matemático 
para implementar funciones más costosas, como la 
multiplicación, división y tratamiento de coma flotante. 
 
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CONTENIDO DEL CAPÍTULO 
 Introducción 
 Unidad de Control y Unidad Aritmético Lógica 
 Organización de los registros 
 Repertorio de instrucciones y ejecución 
 Importancia de una instrucción 
 Juego de instrucciones 
 Modos de direccionamiento 
 Fases de ejecución de una instrucción 
 Tratamiento de interrupciones 
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ORGANIZACIÓN DE LOS REGISTROS 
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 Registros visibles al usuario: 
puede ser referenciado por medio del 
lenguaje máquina que ejecuta la CPU. 
 De uso general. 
 De datos. 
 De direcciones. 
 De códigos de condición. 
 Registros de control y de estado: 
controlan el funcionamiento de la 
CPU. Ejemplos: 
 Contador de programa. (PC). 
 Registro de instrucción (IR). 
 Registro de dirección de memoria (MAR). 
 Registro de datos (o intermedio) de 
memoria (MDR). 
 Palabra de estado del programa (PSW): 
contiene información del contexto del 
programa. 
REGISTROS DE PROPÓSITO GENERAL 
 Ejemplo: El 8086 tenía sólo 4 registros para el 
usuario. Además de ser accesibles, tenían 
funcionalidades extra. 
 Registro AX: Registro acumulador. 
 Utilizado para operaciones que implican entrada/salida y la 
mayor parte de la aritmética. 
 Registro BX: registro base. 
 Único registro de propósito general que puede ser un índice 
para direccionamiento indexado. 
 Registro CX: registro contador. 
 Puede contener un valor para controlar el número de veces 
que un ciclo se repite o un valor para desplazamiento de bits. 
 Registro DX: registro de datos. 
 Algunas operaciones de E/S requieren su uso. 
 
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REGISTROS 
 Cada programa tiene unos valores para los 
registros no accesibles por el usuario. 
 Cada vez que el programa se está ejecutando, es 
necesario volver a cargar estos registros. 
 Son necesarios para: 
 Saber en que parte de la Memoria Principal está el 
programa. 
 Cuál es la siguiente instrucción a ejecutar. 
 Cuál es la siguiente instrucción que ha de traerse de 
la memoria. 
 Etc. 
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ORGANIZACIÓN DE LOS REGISTROS (2) 
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MAR 
PC 
IR 
SP 
MDR 
R0 
Rn 
Registros 
de 
propósito 
general 
Control 
CY S Z P O 
ALU 
CPU 
Memoria 
Principal 
Dirección 
Dato/Instrucción 
R/W 
Registro de dirección 
de memoria: Contiene 
la dirección de la 
localización de MP 
hacia o desde la cual 
deben transferirse datos 
Contador de 
programa: apunta a la 
siguiente dirección a 
traer de memoria 
Registro de 
instrucción: contiene 
la instrucción que se 
está ejecutando 
Puntero de pila: 
dirección de la 
cabecera de la pila 
Registros de propósito general: guardan operandos, 
direcciones, incrementos, etc. Ej: Acumulador. 
Palabra de estado: 
conjunto de 
biestables 
indicadores o de 
condición 
Registro de datos 
de memoria: 
contiene el dato 
leído o que se va a 
escribir de/en la 
posición de 
Memoria apuntada 
por MAR 
CONTENIDO DEL CAPÍTULO 
 Introducción 
 Unidad de Control y Unidad Aritmético Lógica 
 Organización de los registros 
 Repertorio de instrucciones y ejecución 
 Importancia de una instrucción 
 Juego de instrucciones 
 Interrupciones 
 
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IMPORTANCIA DE UNA INSTRUCCIÓN 
 Dentro del computador la actividad se controla 
por medio de instrucciones 
 Realizar una tarea  almacenar en memoriaun 
programa (conjunto de instrucciones que operan 
sobre unos datos). 
 Las instrucciones se traen de Memoria Principal 
al procesador, donde se ejecutan. 
 Como operandos se utilizan datos almacenados 
en Memoria Principal o en registros. 
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CONTENIDO DEL CAPÍTULO 
 Introducción 
 Unidad de Control y Unidad Aritmético Lógica 
 Organización de los registros 
 Repertorio de instrucciones y ejecución 
 Importancia de una instrucción 
 Juego de instrucciones 
 Interrupciones 
 
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JUEGO DE INSTRUCCIONES 
 Una instrucción es un patrón binario diseñado 
dentro de un microprocesador para realizar una 
función específica. 
 El grupo completo de instrucciones, llamado juego de 
instrucciones, determina qué funciones puede 
realizar el microprocesador. 
 Estas instrucciones se pueden clasificar en las 
siguientes cinco categorías funcionales: 
1. Trasferencia de datos 
2. Realización de operaciones aritméticas 
3. Realización de operaciones lógicas 
4. Pruebas de condiciones y alteración de la secuencia del 
programa 
5. Operaciones de control 22 
JUEGO DE INSTRUCCIONES (2) 
 El repertorio o juego de instrucciones debe ser: 
 Completo: debe permitir resolver cualquier problema. 
 Eficaz: los programas deben ser ejecutados en un tiempo 
razonable. 
 Está relacionado con: 
 El número de registros disponibles. 
 El tamaño de los datos. 
 Los modos de direccionamiento (maneras de acceder a los 
datos). 
 Clasificación de los computadores según su repertorio: 
 RISC: Reduced Instruction Set Computer (ej.: MIPS, 
PowerPC). 
 CISC: Complex Instruction Set Computer (x86). 
 VLIW: Very Long Instruction Word (Itanium). 
 
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JUEGO DE INSTRUCCIONES (3) 
 El repertorio de instrucciones debe especificar: 
 Formato de las instrucciones: tamaño fijo, variable o híbrido. 
 Localización de operandos y resultado, junto con modos de 
direccionamiento. 
 Tipos de datos y tamaños: Enteros y números en coma 
flotante (IEEE 754). 
 Operaciones soportadas: lógicas, aritméticas, etc. 
 Mecanismos de bifurcación: instrucciones de salto, subrutinas, 
etc. 
 Propiedades de las instrucciones: 
 Realizan una función única y sencilla. 
 Emplean un número fijo de operandos. 
 Su codificación binaria es bastante sistemática, o al menos es 
recomendable que lo sea (con objeto de facilitar su 
decodificación). 
 Son autocontenidas, es decir, contienen toda la información 
necesaria para su ejecución: 
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JUEGO DE INSTRUCCIONES (4) 
 Formato de instrucción: representación en binario de la 
misma. 
 Especifica el significado de cada uno de los bits que la 
constituyen. 
 Longitud del formato de instrucción: número de bits que lo 
componen. 
 La información contenida en el formato de la instrucción es: 
 Código de operación (COP). 
 Dirección de los operandos (OP1 y OP2). 
 Dirección del resultado (RES). 
 Dirección de la siguiente instrucción (casi siempre implícita). 
 Tipos de representación de los operandos (casi siempre implícitos 
en el código de operación). 
 Modificador (MD): suele completar al COP, y sirve para 
especificar ciertas particularidades de la instrucción: 
 Tamaño y tipo de los operandos. 
 A veces se usa para distinguir entre operaciones similares. 
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COP MD OP1 OP2 RES 
CONTENIDO DEL CAPÍTULO 
 Introducción 
 Unidad de Control y Unidad Aritmético Lógica 
 Organización de los registros 
 Repertorio de instrucciones y ejecución 
 Importancia de una instrucción 
 Juego de instrucciones 
 Interrupciones 
 
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INTERRUPCIONES 
 Las interrupciones indican al procesador que hay algo 
EXTERNO a la ejecución que ha ocurrido. Ejemplos: 
 Operaciones de E/S: se han leído datos del disco duro, se ha 
pulsado una tecla. 
 fallos del sistema: una operación ha dado error… 
 
 ¿Qué se hace? 
1. Se guarda el estado del proceso 
2. Se aplica la rutina asociada a la interrupción 
3. Se vuelve al estado del proceso anterior 
 
 Las interrupciones permiten que se alternen procesos 
en la CPU! 
 Si el proceso necesita un dato del disco duro, espera 
“dormido” a que llegue. La interrupción notifica el fin de la 
espera y la posibilidad de que el programa continúe donde 
lo dejó. 
 
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INTERRUPCIONES 
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BIBLIOGRAFÍA 
 Alberto Prieto, Antonio Lloris y Juan Carlos 
Torres. Introducción a la Informática. McGraw 
Hill (2006). ISBN: 8448146247. Capítulos 5, 6 y 7. 
 
 Patterson y Hennessy. Estructura y Diseño de 
Computadores. Reverte (2000). ISBN: 
9788429126174 . Capítulos 2 y 4. 
 
 Murdocca y Heuring: Principios de Arquitectura 
de Computadoras. Prentice Hall (2002). ISBN: 
9879460693 : Capítulos 4 y 6. 
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