PDF de programación - Arquitectura de los sistemas basados en Microprocesador

ARQUITECTURA DE LOS SISTEMAS
BASADOS EN MICROPROCESADOR

• Historia
• Bloques funcionales
• Dimensionamiento
• Estructura CPU
• Concepto de programa
• Interrupciones
• Buses

• Memoria
• Entrada / Salida
• Ejemplo de

arquitectura: Intel8086

• Ejemplo de sistema

basado en µP: PC

FIG 1.1. Babbage (1791-1871 )

FIG 1.2. Hollerith (1860-1929)

FIG 1.3. Von Neumann (1903 – 1957)

FIG 1.4. Evolución de la informática

1947 Efecto transistor

1964 Lenguaje BASIC
1967 Primer disco magnético
1971 Primer µP en un solo C.I.
1974 Primer S.O. (CP/M)
1975 Nacimiento Micro-Soft

1981 MS-DOS
1985 Windows

FIG 1.5. Arquitectura de Von Neumann

FIG 1.6. Flujo de la información

FIG 1.9. Juego de instrucciones

FIG 1.7. Buses del sistema

FIG 1.8. Arquitectura de Símplez

FIG 1.10. Ejemplos de programas para Símplez

Estructura de la CPU

Computador

E/S

Bus del
sistema

CPU

Memoria

CPU

Registros

Unidad
aritmético-
lógica

Interconexión
interna de la

CPU

Unidad de
control

Estructura de la unidad de control

Unidad de Control

CPU

ALU

Bus
interno

Registros

Unidad

de

control

Unidad de control

Lógica
secuencial

Registros y
decodificadores de
la unidad de control

Memoria
de control

Instrucción

=

Registro de Instrucciones

Código

de

Operación

+

Modo
de

Direccionamiento

+

Campo

de

Direcciones

Unidad Aritmético-Lógica: ALU

C.O.

M.D.

C.D.

Estructura de la máquina de von

Neumann

Equipos de E/S

Unidad aritmético-
lógica

Unidad de control

de programa

Memoria
principal

Descripción General

Concepto del programa

• Los sistemas cableados no son flexibles.
• El harware de uso general puede realizar
distintas funciones, según las señales de
control aplicadas.

• En lugar de configurar el hardware, se

proporciona un nuevo conjunto de señales
de control.

Componentes del computador:

esquema de dos niveles

PC

IR

CPU

MAR

MBR

E/S AR

E/S BR

Módulo de E/S

Memoria

Instrucción
Instrucción
Instrucción

Datos
Datos
Datos
Datos

PC = Contador de programa
IR = Registro de instrucción
MAR = Registro de dirección de memoria
MBR = Registro de buffer de memoria
E/S AR = Registro de dirección de E / S
E/S BR = Registro buffer de E / S

Registros

Ciclo de instrucción básico

• Dos pasos:

– Fetch (Captación)
– Execute (Ejecución)

Ciclo fetch

Ciclo execute

INICIO

Captar la
siguiente
instrucción

Ejecutar la
instrucción

PARADA

Ciclo fetch

• El contador de programa (PC) contiene la dirección
de la instrucción que se debe captar a continuación.
• El procesador capta la instrucción que indica el PC

desde la memoria.

• El registro PC se incrementa,

– a no ser que se indique lo contrario.

• Esta instrucción se carga en el registro de instrucción

(IR).

• El procesador interpreta la instrucción y lleva a cabo

la acción requerida.

Ejemplo de ejecución

300

301

302

940

941

300

301

302

940

941

Memoria
1940
5941
2941

0003
0002

Memoria
1940
5941
2941

0003
0002

Paso 1

Paso 3

300

301

302

940

941

Memoria
1940
5941
2941

0003
0002

Paso 5

Registros de la CPU

300

1940

PC

AC

IR

Registros de la CPU

300

0003
5941

PC

AC

IR

Registros de la CPU

302

0005
2941

PC

AC

IR

300

301

302

940

941

300

301

302

940

941

Memoria
1940
5941
2941

0003
0002

Memoria
1940
5941
2941

0003
0002

Paso 2

Paso 4

300

301

302

940

941

Memoria
1940
5941
2941

0003
0002

Paso 6

Registros de la CPU

300

0003
1940

Registros de la CPU

301

0005
5941

PC

AC

IR

PC

AC

IR

316 + 216 = 516

Registros de la CPU

302

0005
2941

PC

AC

IR

Ciclo execute

• Procesador- memoria

– Transferencia de datos desde la CPU a la memoria.

• Procesador-E/S

– Transferencias de datos entre la CPU y un módulo

E/S.

de

• Procesamiento de datos

– Realización de alguna operación aritmética o lógica con los

datos.
• Control

– Alteración de la secuencia de ejecución.
– Ejemplo: la instrucción de salto
• Combinación de estas acciones

Interrupciones

• Mecanismo mediante el que otros módulos

(Ejemplo: E/S) pueden interrumpir el
procesamiento normal de la CPU.

• Programa

– Ejemplo: desbordamiento aritmético (“overflow”), división

por cero

• Temporización

– Generadas por un temporizador interno al procesador.
– Permite realizar ciertas funciones de manera regular.

• E/S

– Generadas por un controlador E/S.

• Fallo de hardware

– Ejemplo: error de paridad en la memoria

Flujo de control de un programa

Programa
de usuario

Programa
de E/S

Programa
de usuario

Programa
de E/S

Programa
de usuario

Orden de
E/S

Orden de
E/S

Programa
de E/S

Orden de
E/S

Gestor de
interrupción

Gestor de
interrupción

(a) Sin interrupción

(b) Interrupción, espera de E/S corta

( c) Interrupción, espera de E/S larga

Interrupciones múltiples

• Interrupciones inhabilitadas

– El procesador puede y debe ignorar la señal de

petición de interrupción si se produce una interrupción
en ese momento.

– La interrupción se mantiene pendiente y se examinará

una vez se haya activado la primera interrupción.

– Las interrupciones se manejan en un orden secuencial

estricto.

• Definir prioridades

– Una interrupción de prioridad más alta puede

interrumpir a un gestor de interrupción de prioridad
menor.

– Cuando se ha generado la interrupción de prioridad

más alta, el procesador vuelve a la interrupción previa.

Ciclo de interrupción

• Añadido al ciclo de instrucción.
• El procesador comprueba si se ha generado alguna

interrupción,
– indicada por la presencia de una señal de interrupción.

• Si no hay señales de interrupción, capta la siguiente

instrucción.

• Si hay alguna interrupción pendiente:

– Se suspende la ejecución del programa en curso
– Guarda su contexto
– Carga el PC con la dirección de comienzo de una rutina de

gestión de interrupción
– Proceso interrumpido
– Volver a almacenar el contexto y continuar con el programa

interrumpido

Buses

• Existe una serie de sistemas de interconexión.
• Las estructuras sencillas y múltiples son las más

comunes.

• Ejemplo: control/dirección/bus de datos (PC)

• Es un medio de transmisión entre dos o más

dispositivos.

• Suele constituirse en grupos:

– Un bus está constituido por varios caminos de

comunicación, o líneas.

– Ejemplo: un dato de 8 bits puede transmitirse mediante

ocho líneas del bus

Bus de datos

• Transmite datos.

– A este nivel no existe diferencia alguna entre

“datos” y “instrucciones”.

• La anchura del bus es un factor clave a la

hora de determinar las prestaciones.
– 8, 16, 32, 64 bits.

Bus de control

• Información sobre señales de control y

sobre temporización:
– Señal de escritura/lectura en memoria.
– Petición de interrupción.
– Señales de reloj.

Bus de dirección

• Designa la fuente o destino del dato.
• Ejemplo: cuando el procesador desea leer una
palabra (datos) de una determinada parte en la
memoria.

• La anchura del bus determina la máxima

capacidad de memoria posible en el sistema.
– Ejemplo: 8080 tiene un bus de dirección de 16 bits, lo

que supone 64k de espacio para direcciones

Esquema de interconexión

mediante un bus

CPU

Memoria

Memoria

E/S

E/S

Líneas de control

Líneas de dirección

Líneas de datos

Bus

Tipos de buses

• Dedicados

– Uso de líneas separadas para direcciones y para datos.

• Multiplexados

– Uso de las mismas líneas.
– Línea de control de dirección válida o de datos válida.
– Ventaja: uso de menos líneas.
– Desventajas:

• Se necesita una circuitería más compleja.
• Posible reducción de las prestaciones.

Memoria Principal - Organización Interna

Arquitectura de bus tradicional

Procesador

Cache

Bus local

Memoria
principal

Red

Controlador
local de E/S

Bus del sistema

SCSI

Interfaz con el

bus de
expansión

Modem

Serie

Bus de expansión

Jerarquía de memoria

• Registros
• Cache nivel 1
• Cache nivel 2
• Memoria principal
• Cache de disco
• Disco
• Memoria óptica
• Cintas

Registros

Memoria interna o principal

Memoria externa

Memoria Principal - Direccionamiento

Direccionamiento cableado

en dos direcciones

Direccionamiento cableado

en tres direcciones

Organización

• Un chip de 16Mbits podría estar estructurado en 1

Mpalabras de 16 bits.

• Un sistema de “un bit por chip” tiene 16 lotes de

un chip de 1 Mbits, por lo que por cada chip
corresponde 1bit de cada palabra y así,
sucesivamente.

• Un chip de 16 Mbits puede estar estructurado en

cuatro matrices cuadradas de 2048 x 2048
elementos.
– Reduce el número de terminales de dirección.
• Direccionamiento de filas y de columna multiplexado.
• 11 terminales de dirección (211=2.048).
• Una terminal más duplica el rango de los valores, así que la

capacidad se multiplica por cuatro.

DRAM típica de 16 Mb (4M x 4)

Cache

Temporización y control

Deco-
difica-
dor
de
filas

Matriz

de memoria

(2048 x 2048 x 4)

Amplificadores

de lectura

y puerto de E/S

Descodificador
de columnas

• Cantidad pequeña de memoria rápida.
• Está entre la memoria principal normal y la CPU.
• Puede localizarse en el chip o módulo de la CPU.

Transferencia de palabras

Transferencia de bloques

Memoria
principal

Buffer

de entrada
de datos

Buffer
de salida
de datos

Contador

de

refresco

Buffer de
direcciones

de filas

Buffer de
direcciones
de columnas

Operación de la cache

• La CPU solicita contenidos de la localización de

memoria.

• Comprueba la cache para estos datos.
• Si está, la obtiene de la cache (rápidamente).
• Si no está, lee el bloque requerido a partir de la

memoria principal hasta la cache.

• Después, de la cache los entrega a la CPU.
• La cache incluye etiquetas para identificar qué

bloque de la memoria principal está en cada ranura
de la cache.

E/S programada

• La CPU tiene control directo sobre la E/S

– Comprobación del estado del dispositivo
– Órdenes de lectura/escritura
– Transferencia de datos

• La CPU espera a que el módulo E/S acabe

la operación

• Hace perder