Clase Procesador

Bases de Datos Renato Urvina

Arquitectura de ComputadoresUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

Arquitectura de Computadores

Renato Urvina1

Arquitectura de Computadores

Arquitectura del ProcesadorEjecucin de InstruccionesISAMicroarquitecturaCISCRISCUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOArquitectura de Computadores

Renato Urvina2Arquitectura de computadores

Pide entendimiento y busca la sabidura como si buscaras plata o un tesoro escondido. As llegars a entender lo que es obedecer a Dios y conocerlo de verdad. Slo Dios puede hacerte sabio; slo Dios puede darte conocimiento.Proverbios 2 3:6UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO3Arquitectura de computadores

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO4Arquitectura de computadores

EJECUCIN DE INSTRUCCIONESUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOUnalgoritmoes una secuencia de rdenes o instrucciones que se dictan en un cierto orden. Es necesario que cada paso est muy bien definido y que se siga un orden estricto para que la mquina sea capaz de ejecutarlo sin problemas.Por ejemplo:Paso 1: leer el valor del registro A y llamarlo N1.Paso 2: leer el valor del registro B y llamarlo N2.Paso 3: sumar N1 y N2 y almacenar el resultado en el registro C.Paso 4: almacenar el valor del registro C en la posicin de memoria M.5Arquitectura de computadores

EJECUCIN DE INSTRUCCIONESUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOUnalgoritmoes una secuencia de rdenes o instrucciones que se dictan en un cierto orden. Es necesario que cada paso est muy bien definido y que se siga un orden estricto para que la mquina sea capaz de ejecutarlo sin problemas.Por ejemplo:Paso 1: leer el valor del registro A y llamarlo N1.Paso 2: leer el valor del registro B y llamarlo N2.Paso 3: sumar N1 y N2 y almacenar el resultado en el registro C.Paso 4: almacenar el valor del registro C en la posicin de memoria M.Los cuatro pasos de este ejemplo nos aproximan a la realidad de los ordenadores: sumando dos nmeros (existentes en los registrosAyB) y almacenando su resultado en la posicin de memoriaM. No obstante toda la informacin que maneja el ordenador est basada en0y1, incluyendo no slo los valores numricos de la propia suma si no tambin las direcciones en las que se almacena la informacin (en este caso, las direcciones de los registrosA,B,Cy tambin la posicin de memoria etiquetada comoM).6Arquitectura de computadores


Instruction Set ArchitectureUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOEl procesador se encarga de recibir secuencias de rdenes y ejecutarlas. Estas rdenes sern mayoritariamente matemticas (ej. sumar o multiplicar dos nmeros y guardar el resultado en una determinada posicin de memoria) pero tambin de almacenamiento o interrupciones del sistema. Y precisamente estas rdenes simples y atmicas se denominan instrucciones, que son las operaciones que un procesador es capaz de entender y ejecutar. Las instrucciones son operaciones muy simples pero con las que se construye todo, y un conjunto de estas instrucciones se denomina set de instrucciones o ISA (Instruction Set Architecture)..8Arquitectura de computadores

Instruction Set ArchitectureUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOEl procesador se encarga de recibir secuencias de rdenes y ejecutarlas. Estas rdenes sern mayoritariamente matemticas (ej. sumar o multiplicar dos nmeros y guardar el resultado en una determinada posicin de memoria) pero tambin de almacenamiento o interrupciones del sistema. Y precisamente estas rdenes simples y atmicas se denominan instrucciones, que son las operaciones que un procesador es capaz de entender y ejecutar. Las instrucciones son operaciones muy simples pero con las que se construye todo, y un conjunto de estas instrucciones se denomina set de instrucciones o ISA (Instruction Set Architecture)..Por ejemplo, x86 es la ISA de los procesadores Intel o AMD domsticos actuales, los cuales a su vez utilizan mltiples microarquitecturas, y ARM es la ISA de los procesadores de Samsung, Qualcomm, Apple.9Arquitectura de computadores

Instruction Set ArchitectureUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOEl procesador se encarga de recibir secuencias de rdenes y ejecutarlas. Estas rdenes sern mayoritariamente matemticas (ej. sumar o multiplicar dos nmeros y guardar el resultado en una determinada posicin de memoria) pero tambin de almacenamiento o interrupciones del sistema. Y precisamente estas rdenes simples y atmicas se denominan instrucciones, que son las operaciones que un procesador es capaz de entender y ejecutar. Las instrucciones son operaciones muy simples pero con las que se construye todo, y un conjunto de estas instrucciones se denomina set de instrucciones o ISA (Instruction Set Architecture)..Por ejemplo, x86 es la ISA de los procesadores Intel o AMD domsticos actuales, los cuales a su vez utilizan mltiples microarquitecturas, y ARM es la ISA de los procesadores de Samsung, Qualcomm, Apple.Una ISA esta formada por mltiples componentes, tales como los tipos de datos que maneja un procesador, los registros y sus tamaos, los buffers e incluso los errores que es capaz de manejar. Uno de los componentes fundamentales de cada ISA son el conjunto de instrucciones que admite.10Arquitectura de computadores

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOLas instrucciones son fundamentales e imprescindibles, ya que es lo que el procesador ejecuta. Dependiendo de la ISA existen mltiples tipos de instrucciones, aunque principalmente se engloban dentro de tres grandes categoras: operaciones con memoria, operaciones aritmticas y operaciones de control sobre la CPU.

La complejidad del set de instrucciones es variable y depende enormemente de lo que sus diseadores decidieran en el da de su creacin. Instruction Set Architecture11Arquitectura de computadores

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOAritmticas.Una de las ms sencillas estoy hablando de sumas, restas, multiplicaciones. Desde hace mucho tiempo el coprocesador matemtico se incluye dentro del procesador y por lo tanto son capaces de trabajar con nmero reales y con operaciones mucho ms complejas.Lgicas.Estas incluyen las comparaciones. Muy importantes para cualquier tipo de programa.Control de flujo.Permiten saltar a otra parte a veces se combinan con las anteriores para permitir el salto en caso de ser necesario.

Instruction Set Architecture Tipos de instrucciones12Arquitectura de computadores


Qu es una microarquitectura?UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOUn microprocesador no es slo un cerebro que procesa informacin. Est compuesto de registros (pequeas memorias donde se almacenan datos), buffers, cachs, unidades de proceso,ALU, y mucho ms. Todo esto se fabrica utilizando componentes electrnicos ciertamente pequeos (las arquitecturas actuales de nuestros ordenadores utilizan transistores de 22 nanmetros, 0.000022 milmetros) y no siempre nos encontraremos con todos. Es necesaria una organizacin y estructuracin de todos los componentes a la que se denominamicroarquitectura14Arquitectura de computadores

Qu es una microarquitectura?UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOUn microprocesador no es slo un cerebro que procesa informacin. Est compuesto de registros (pequeas memorias donde se almacenan datos), buffers, cachs, unidades de proceso,ALU, y mucho ms. Todo esto se fabrica utilizando componentes electrnicos ciertamente pequeos (las arquitecturas actuales de nuestros ordenadores utilizan transistores de 22 nanmetros, 0.000022 milmetros) y no siempre nos encontraremos con todos. Es necesaria una organizacin y estructuracin de todos los componentes a la que se denominamicroarquitectura

15Arquitectura de computadores

Qu es una microarquitectura?UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

La microarquitectura pretende organizar todos los componentes internos de un procesador. En la ilustracin encontramos dentro del procesador Intel Core 2 Duo: la zona amarilla es la encargada de realizar las operaciones y la verde de almacenar las siguientes instrucciones a ser ejecutadas.Un mismo juego de instrucciones (ISA) puede ser ejecutado sobre diferentes microarquitecturas, que es lo que da lugar a las grandes rivalidades que por ejemplo tienen Intel y AMD bajo x86, o Samsung, Apple y Qualcomm con ARM. 16Arquitectura de computadores


CISC y RISCUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOLas instrucciones son fundamentales e imprescindibles, ya que es lo que el procesador ejecuta. Dependiendo de la ISA existen mltiples tipos de instrucciones, aunque principalmente se engloban dentro de tres grandes categoras: operaciones con memoria, operaciones aritmticas y operaciones de control sobre la CPU.

La complejidad del set de instrucciones es variable y depende enormemente de lo que sus diseadores decidieran en el da de su creacin. Este razonamiento es la base para entender lo que ocurri con CISC a mediados del siglo XX, cuando IBM se propuso unificar las instrucciones con las que trabajaban los procesadores. Unos aos ms tarde y teniendo en cuenta su experiencia, introdujo con otro enfoque: RISC. Ambas aproximaciones se fundamentan sobre la misma base de funcionamiento (un bucle infinito en el que en un mismo ciclo, un procesador recibe una nueva instruccin a ejecutar, la decodifica, la ejecuta y espera a la siguiente instruccin) pero son muy diferentes en cuanto al tipo de instruccin que admiten.18Arquitectura de computadores

CISC- Complex Instruction Set ComputingUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOEn los aos 50, todos los computadores se diseaban de forma completamente aislada unos de otros. Esto haca que sus instrucciones fuesen independientes, haciendo que un programa escrito para un cierto ordenador no se pudiese ejecutar en otro. A finales de la dcada, IBM reuni a un grupo de sus investigadores para estudiar la forma con la que un programa pudiese trabajar en mltiples computadores sin importantes cambios, ampliando la compatibilidad del software en diferentes mquinas. El resultado fue el enfoque CISC, Complex Instruction Set Computing, introducido por primera vez en los IBM System/360 el 7 de abril de 1964.19Arquitectura de computadores

CISC- Complex Instruction Set ComputingUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOEn los aos 50, todos los computadores se diseaban de forma completamente aislada unos de otros. Esto haca que sus instrucciones fuesen independientes, haciendo que un programa escrito para un cierto ordenador no se pudiese ejecutar en otro. A finales de la dcada, IBM reuni a un grupo de sus investigadores para estudiar la forma con la que un programa pudiese trabajar en mltiples computadores sin importantes cambios, ampliando la compatibilidad del software en diferentes mquinas. El resultado fue el enfoque CISC, Complex Instruction Set Computing, introducido por primera vez en los IBM System/360 el 7 de abril de 1964.

Un System/360 en una fbrica de Volkswagen, ao 197320Arquitectura de computadores

CISC- Complex Instruction Set ComputingUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOCISCofrece un conjunto de instrucciones bastante completas y lentas de ejecutar, pero que agrupaban varias operaciones de bajo nivel en la misma instruccin. Esto da lugar aprogramas pequeosy sencillos de desarrollar que adems realizaban pocos accesos a memoria: esto que ahora podra parecer insignificante era vital en aquella poca, cuando los ordenadores trabajaban con muchos menos recursos que los equipos actuales.21Arquitectura de computadores

CISC- Complex Instruction Set ComputingUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOCISCofrece un conjunto de instrucciones bastante completas y lentas de ejecutar, pero que agrupaban varias operaciones de bajo nivel en la misma instruccin. Esto da lugar aprogramas pequeosy sencillos de desarrollar que adems realizaban pocos accesos a memoria: esto que ahora podra parecer insignificante era vital en aquella poca, cuando los ordenadores trabajaban con muchos menos recursos que los equipos actuales.En la actualidadCISCtiene a x86como su mayor exponente, conAMDy sobre todo Intel a la cabeza de su desarrollo. Hay muchos ejemplos histricos como losPDP, Motorola 68000,Intel 4004o Intel 8086, quiz los ms representativos. Prcticamente cualquier ordenador de sobremesa o porttil desde los aos 80 ha utilizado un procesador x86.22Arquitectura de computadores


RISC- Reduced Instruction Set ComputingUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOTras el lanzamiento deCISC, los cientficos deIBMempezaron a comprobar que los diseadores de software creaban sus propias instrucciones ms simples y precisas. Entonces, ya en la dcada de los 70, empezaron a disear una alternativa que posteriormente se introdujo en el mercado bajo el acrnimoRISC,Reduced Instruction Set Computing. ElIBM801 que empez a crearse en 1975, fue diseado por John Cocke y es considerado el primer procesadorRISCde la historia.

John Cocke ya en los 80 junto a uno de los prototipos que us el procesador 80124Arquitectura de computadores

RISC- Reduced Instruction Set ComputingUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOLa principal virtud de RISC es tener un conjunto de instrucciones muy simples que se ejecutarn ms rpidamente en el procesador. Existe un catlogo de pocas instrucciones y stas son muy sencillas, lo cual implica tambin que para una cierta tarea compleja necesitaremos un mayor nmero de ellas, y por esto el programa final tendr una longitud mayor y adems acceder en un mayor nmero de ocasiones a los datos almacenados en la memoria. 25Arquitectura de computadores

RISC- Reduced Instruction Set ComputingUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOLa principal virtud de RISC es tener un conjunto de instrucciones muy simples que se ejecutarn ms rpidamente en el procesador. Existe un catlogo de pocas instrucciones y stas son muy sencillas, lo cual implica tambin que para una cierta tarea compleja necesitaremos un mayor nmero de ellas, y por esto el programa final tendr una longitud mayor y adems acceder en un mayor nmero de ocasiones a los datos almacenados en la memoria. Un procesador de tipoRISCes ms simple tanto en software (instrucciones) como en hardware (registros de memoria), lo cual hace que sea un dispositivo notablemente ms barato que otrasCPU. En la actualidad el mayor ejemplo deprocesadorRISCson los productosARM, utilizados ampliamente en dispositivos mviles pero tambin en otros campos como los supercomputadores.26Arquitectura de computadores

RISCfrente aCISCUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOCISCnaci con la finalidad de homogeneizar los diferentes computadores en los aos 50 y 60.

RISC busc en los 70 ir un paso ms all y mejorar el rendimiento con instrucciones ms simples pero programas ms largos y ms difciles de desarrollar.


RISCfrente aCISCUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOCISCnaci con la finalidad de homogeneizar los diferentes computadores en los aos 50 y 60.

RISC busc en los 70 ir un paso ms all y mejorar el rendimiento con instrucciones ms simples pero programas ms largos y ms difciles de desarrollar.TantoCISCcomoRISChanevolucionado de forma muy notabledesde su nacimiento, adoptando mejoras provenientes del contrario en ambos casos y nuevos conjuntos de instrucciones para adaptarse a los usos de los ordenadores. Si bien es cierto que en la poca de su creacin la diferencia era muy amplia principalmente debido a las limitaciones tcnicas de la poca tanto en tamao de memoria como en velocidad de proceso -, en la actualinformtica modernalos requisitos son muy diferentes. Los lmites en capacidad de almacenamiento son casi inexistentes y los procesadores son capaces de ejecutar millones de instrucciones en un solo segundo.


RISCfrente aCISCUNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOLa gran batalla actual es la de sus dos grandes exponentes,ARMy x86, que han actualizado sus objetivos a lo que les importa a los usuarios del sigloXXI. Veremos que el punto fuerte deARMest en la eficiencia energtica. Un chipARMconsume mucha menos energa que unprocesador x86 que tiene en su alto rendimientosu gran virtud, a costa de consumir bastante ms energa.


UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOLecturas CISC vs RISChttp://www.azc.uam.mx/publicaciones/enlinea2/num1/1-2.htm

Por qu los ncleos y su frecuencia no lo son todo para un procesador http://www.xataka.com/componentes-de-pc/por-que-los-nucleos-y-su-frecuencia-no-lo-son-todo-para-un-procesador Intel 8086 y 8088 http://es.wikipedia.org/wiki/Intel_8086_y_8088

As comenz todo: el origen de los procesadoreshttp://www.xataka.com/componentes-de-pc/asi-comenzo-todo-el-origen-de-los-procesadores


UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOGraciasLecturas CISC vs RISChttp://www.azc.uam.mx/publicaciones/enlinea2/num1/1-2.htm

Por qu los ncleos y su frecuencia no lo son todo para un procesador http://www.xataka.com/componentes-de-pc/por-que-los-nucleos-y-su-frecuencia-no-lo-son-todo-para-un-procesador Intel 8086 y 8088 http://es.wikipedia.org/wiki/Intel_8086_y_8088

As comenz todo: el origen de los procesadoreshttp://www.xataka.com/componentes-de-pc/asi-comenzo-todo-el-origen-de-los-procesadores

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