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Organización de ComputadorasOrganización de ComputadorasDepto. Cs. e Ing. de la Comp.Depto. Cs. e Ing. de la Comp.Universidad Nacional del SurUniversidad Nacional del Sur

Módulo 08Módulo 08La ArquitecturaLa Arquitecturavon Neumannvon Neumann

Organización de Computadoras - Mg. A. G. StankeviciusOrganización de Computadoras - Mg. A. G. Stankevicius 22

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ContenidosContenidosOrganización multinivel

Concepto de máquina virtual

Niveles en una máquina contemporánea

Evolución histórica de los niveles

Tecnologías de memoria principal

Organización del procesador

Arquitecturas de n-direcciones

Subsistema de Entrada/Salida


¿¿Qué hay ahí adentro?Qué hay ahí adentro?


Organización en capasOrganización en capasUna computadora es una máquina que puede resolver problemas ejecutando las instrucciones que le van siendo indicadas

La secuencia de instrucciones que describen cómo hacer una cierta tarea se denomina programa

El conjunto de instrucciones que puede ejecutarun cierto procesador constituyen su lenguaje máquina

El lenguaje coloquial empleado por las personas difiere considerablemente del lenguaje máquina


Organización en capasOrganización en capasHacer uso de una computadora implica quelas personas logren “hablar” con las máquinas

¿Cómo podemos reconciliar estos lenguajestan diferentes?

Una posibilidad es hacer uso de una jerarquíade niveles en los que cada uno de éstos haga usode un lenguaje con un mayor nivel de abstracción

La idea es que a medida que ascendamos en la jerarquía el lenguaje se vaya alejando de la máquinay al mismo tiempo acercando a nosotros


Visión multinivelVisión multinivelEl contar con múltiples niveles permite crear nuevas máquinas sobre un mismo hardware:

L1 estará compuesto de aquellas primitivasde uso conveniente

Esto permite implementaciones flexibles, ya que independiza a la máquina del hardware subyacente

hardwarelenguaje L1

lenguaje L2


Visión multinivel (cont)Visión multinivel (cont)El contar con múltiples niveles permite crear nuevas máquinas sobre un mismo hardware:

L2 estará más próximo a los algoritmosque se quieren implementar

Esto facilita la programación y también posibilitala resolución de problemas más complejos

hardwarelenguaje L1

lenguaje L2


Vinculación entre los nivelesVinculación entre los nivelesExisten esencialmente dos mecanismos quenos permiten vincular a los niveles entre sí:

Traducción: la traducción consiste en tomarun programa escrito en un cierto lenguaje para transformarlo en una secuencia de instrucciones equivalente de en un lenguaje de nivel inferior

Interpretación: la interpretación consiste en tomar instrucción por instrucción de un cierto lenguajepara ir transformándolas en tiempo de ejecuciónen un conjunto de instrucciones equivalentedel lenguaje de nivel inferior


Mecanismo de traducciónMecanismo de traducciónCaracterísticas del mecanismo de traducción:

El programa que se utiliza para llevar adelantela traducción se denomina compilador y está compuesto de instrucciones del nivel inferior

El programa original de nivel superior sólose utiliza durante la traducción

Luego, la computadora se desentiende de este programa ya que en tiempo de ejecución sólo accederá al nuevo programa de nivel inferior


Mecanismo de interpretaciónMecanismo de interpretaciónCaracterísticas del mecanismode interpretación:

El programa que se utiliza para llevar adelantela traducción se denomina intérprete y tambiénestá compuesto de instrucciones del nivel inferior

En contraste, este mecanismo no genera un nuevo programa en el nivel inferior, ya que la conversiónse hace dinámicamente en tiempo de ejecución

Por esta razón, se debe conservar el programa original de nivel superior hasta el tiempo de ejecución, puesto que recién ahí se lleva adelante la conversión


Concepto de máquina virtualConcepto de máquina virtualMás que pensar en términos de compilación o de interpretación para vincular las distintas capas entre sí, es conveniente abstraerse completamente de las capas inferiores

La idea es imaginar que existe una máquina virtual que directamente ejecuta las instrucciones de ese nivel superior

El lenguaje de ese nivel superior se convierte enun nuevo lenguaje máquina, en esta ocasiónde una máquina virtual


Relación entre nivelesRelación entre nivelesCon el objeto de que la traducción y/ola interpretación resulten viables y eficienteses esencial que los niveles adyacentesno difieran en gran medida

Recordemos nuestro objetivo inicial, cada nuevo nivel tiene por objeto acercarnos más a los usuarios

En principio podemos ir incorporando nuevas capas, cada una con su respectivo lenguaje máquina, hasta que alcancemos un nivel cuyo lenguaje resulte satisfactorio, es decir, lo suficientemente próximoa los usuarios del sistema


Lenguajes vs. máquinasLenguajes vs. máquinasEn cada nivel de esta organización en capasse identifican dos componentes principales:

La máquina (virtual o no), caracterizada porel conjunto de instrucciones que puede ejecutar

El lenguaje, caracterizado por las facilidades a disposición del programador en ese nivel

Obsérvese que una máquina determinaa su lenguaje de la misma manera queun lenguaje determina a su máquina


Organización multinivelOrganización multinivel

máquina real M1, con lenguaje de máquina L1máquina real M1, con

lenguaje de máquina L1nivel 1

máquina virtual M2, con lenguaje de máquina L2

máquina virtual M2, con lenguaje de máquina L2nivel 2

máquina virtual M3, con lenguaje de máquina L3

máquina virtual M3, con lenguaje de máquina L3nivel 3

máquina virtual Mn, con lenguaje de máquina Ln

máquina virtual Mn, con lenguaje de máquina Lnnivel n

los programas en L1 deben serejecutados directamente porlos circuitos electrónicos

los programas en L2 pueden serinterpretados por programas quese ejecutan en M1, o bien sertraducidos directamente a L1

los programas en L3 pueden serinterpretados por programas quese ejecutan en M1 o en M2, o bienser traducidos a L1 o a L2

los programas en Ln son interpretadospor programas que se ejecutan en unnivel inferiores, o bien son traducidosal lenguaje de una máquina inferior


Organización multinivelOrganización multinivelRecordemos que esta organización multinivel permite a su vez atacar el complicado problema de relacionar humanos con computadorasde una manera paulatina

La idea es que cada capa seconstruya con las capacidadesprovistas por la capa inferior

A su vez, cada capa proveeráde mayores capacidades alas capas superiores

transistores

compuertas, etc.

lenguaje máquina


Máquinas contemporáneasMáquinas contemporáneasLa organización multinivel de una máquina contemporánea se compone de dos o más niveles

Más aun, es posible que en función de las nuevas tecnologías abarque hasta seis o incluso más niveles

Nuestro repaso de los distintos niveles que usualmente componen estas máquinas comienza a nivel del hardware

Un electrónico estaría en condiciones de concebir incluso varias capas adicionales por debajo


Máquinas contemporáneasMáquinas contemporáneasNivel 0 (la máquina real, no virtual):

Este es el nivel de corte de nuestro análisis,por debajo existen otros niveles cuyo estudioen detalle corresponde a otras ramas de la ciencia

Está compuesto del conjunto de compuertas lógicas que implementa cada uno de las unidades funcionales que conforman la computadora

Cabe destacar que se construye usando componentes analógicos los cuales, sin embargo, terminan evidenciando un comportamiento digital


Máquinas contemporáneasMáquinas contemporáneasNivel 1 (microprogramación):

Es el verdadero lenguaje máquina, pues en el nivel anterior no existe el concepto de programa comouna secuencia de instrucciones a ser ejecutadas

En este nivel corre un programa denominado microprograma el cual es capaz de interpretarlas instrucciones del nivel 2

Puede tener más de un intérprete corriendo en este nivel, y naturalmente cada uno definirá un nuevo lenguaje de nivel 2 junto con su correspondientemáquina virtual


MicroprogramaciónMicroprogramaciónRecordemos que la microprogramación aparece como alternativa al hacer uso de la leyde equivalencia entre HW y SW

Es decir, en este nivel es posible optarpor ejecutar directamente en hardwarelas instrucciones más simples y al mismotiempo resolver vía software las más complejas

La idea de los diseñadores del sistema era alcanzar un adecuado balance entre costoy desempeño


MicroprogramaciónMicroprogramaciónRecordemos a su vez que la técnicade microprogramación floreció en la épocaen la que la memoria principal era muy lenta

En ese contexto contar con un set de instrucciones complejo permitía generar programas más compactos y con menor requerimiento de ancho de banda

Este tipo de arquitectura se denomina justamente Complex Instruction Set Computer (CISC)

La familia Intel x86 es posiblemente el ejemplomás conocido de arquitectura CISC


MicroprogramaciónMicroprogramaciónFinalmente, la utilidad de la microprogramación empezó a ceder de la mano de dos avances:

Por un lado el crecimiento exponencial de la cantidad de transistores disponibles permitió implementaren hardware más y más funcionalidad del nivel 2

Naturalmente el mayor impacto vino de la mano dela mejora en el desempeño de la memoria principal

En la actualidad se opta por simplificar el set de instrucciones, dando a lugar a lo que hoy en día se conoce como arquitecturas RISC


Máquinas contemporáneasMáquinas contemporáneasNivel 2 (máquina convencional):

Este es el primer nivel al alcance del programador, más allá de que el verdadero lenguaje máquinasea el provisto por el nivel inmediato inferior

Es posible que un mismo HW soporte múltiples máquinas convencionales (a través de múltiples intérpretes corriendo en el nivel anterior)

En las computadoras de tipo RISC se ejecutan las instrucciones de este nivel directamente en HW, es decir, no cuentan con la capa de microprogramación


Máquinas contemporáneasMáquinas contemporáneasNivel 3 (sistema operativo):

Se trata de un nivel híbrido, gran cantidadde las instrucciones de este nivel son las mismasque las del nivel inmediato inferior

Existen muchas más variantes de máquinasen este nivel que en los niveles anteriores

Las nuevas facilidades provistas por este nivel fueron incorporadas por un intérprete llamado sistema operativos por razones históricas como veremos

En este nivel aparece la posibilidad de correr dos o más programas en simultáneo


Máquinas contemporáneasMáquinas contemporáneasExiste una separación fundamental entrelos niveles 3 y 4:

A diferencia de los niveles superiores, los niveles 1, 2 y 3 no fueron diseñados para ser usados directamente por el programador de aplicaciones

Los primeros tres niveles tiene por objeto sustentara los intérpretes necesarios para que las máquinas virtuales de nivel superior funcionen correctamente

Los encargados de implementar estos programasse denominan programadores de sistema


Máquinas contempoŕaneasMáquinas contempoŕaneasNivel 4 (lenguaje ensamblador):

Este es el primer nivel en donde se hace usode los programas traductores

Por otra parte, es el primer nivel que cuenta con un lenguaje simbólico (los niveles inferiores sólo cuentan con un lenguaje numérico, compuesto de 1s y 0s)

Esta cambio hace que el nivel 4 sea el primer nivel inteligible por las personas

El programa encargado de traducir los programasde este nivel se denomina ensamblador


Máquinas contemporáneasMáquinas contemporáneasNivel 5 (lenguajes de alto nivel):

Este nivel está compuesto por los distintos lenguajes de programación de alto nivel, tales como Java,Pascal y C entre otros

Nótese que, como es usual, cada lenguaje defineuna máquina virtual diferente para este nivel

Los programas escritos en estos lenguajes suelenser traducidos a instrucciones de los niveles 3 o 4 mediante compiladores, si bien también existen algunos lenguajes de programación que son directamente interpretados


SíntesisSíntesis

nivel de lógica digitalnivel de lógica digitalnivel 0

nivel de microprogramación

nivel de microprogramaciónnivel 1

nivel de máquina convencional

nivel de máquina convencionalnivel 2

nivel de máquina delsistema operativo

nivel de máquina delsistema operativonivel 3

nivel de lenguaje ensamblador

nivel de lenguaje ensambladornivel 4

nivel de los lenguajesde alto nivel

nivel de los lenguajesde alto nivelnivel 5

los microprogramas sonejecutados por el HW

interpretación o bienejecución directa

interpretación parcial(sistema operativo)

traducción(ensamblado)

traducción(compilación)


EjemploEjemploA manera de ilustración de las diferencias entre los lenguajes de las distintas capas, analicemos el siguiente problema:

Se desea mostrar por pantalla la sumade los cuadrados de los primeros 100 naturales

Supongamos que el lenguaje del nivel 5es el lenguaje C, y que la arquitecturade los niveles inferiores es la MIPS

MIPS fue la primer arquitectura RISC


EjemploEjemploEl programa de nivel 5 para resolver este problema podría ser:

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[]) {

int i, sum = 0;

for (i=0; i<=100; i++)

sum += i * i ;

printf("The sum from 0..100 is %d\n", sum);

}


EjemploEjemploEste mismo programa expresado en el lenguajedel nivel 4 resulta:


EjemploEjemploFinalmente, expresado en el lenguaje propiodel nivel 2 resulta:


Evolución históricaEvolución históricaLas primeras computadoras allá por la década del '40 sólo contaban con dos niveles:

El nivel de la máquina convencional dondese realizaba la programación

El nivel de la lógica digital donde eran ejecutadoslos programas

No había manera alguna de que la computación en estos término se tornara masiva

¡Los programadores eran en ocasiones los propios constructores de la computadora!


Evolución históricaEvolución históricaEn 1951 Maurice Wilkes propuso una arquitectura con tres niveles, con el objetivode simplificar el hardware del nivel inferior

Wilkes en esencia inventó la microprogramación

Esta simplificación a nivel de HW se logra en virtudde que el repertorio de las microinstruccioneses menor que el de las instrucciones a nivelde la máquina convencional

En esa época las computadoras todavía se construían con válvulas, por lo que esta simplificación a nivelde HW implicaba un cuantioso ahorro


Evolución históricaEvolución históricaLa década del '50 también se caracterizapor el desarrollo de los primeros lenguajesde programación:

Los lenguajes ensamblador de las distintas computadoras de la época (tales como la EDVAC,la primera computadora de programa almacenado)

Los lenguajes de programación imperativosFortran (1957) y Cobol (1959) así comoel lenguaje de programación funcional Lisp (1958) fueron diseñados e implementados a lo largode esa década


Evolución históricaEvolución históricaAlrededor de la década del '60 se intentó automatizar las repetitivas tareas que tenían que llevar a cabo los operadores

Recordemos lo enrevesado que resultaba ejecutarun programa escrito en alguno de estos lenguajesde programación en la época de las tarjetas perforadas y de las cintas de carrete abierto

Un programa llamado sistema operativo cuyo propósito era asistir al operador se manteníaen ejecución todo el tiempo


Evolución históricaEvolución históricaContinúa:

Recordemos también que el lenguaje de este nuevo nivel es híbrido, está compuesto mayormente porlas instrucciones del nivel inmediato inferior ysólo una pocas nuevas instrucciones propias

Las nuevas instrucciones se conocían como macros al sistema operativo o también llamadas al supervisor

Un importante avance que incorporaron los sistemas operativos fue posibilitar el compartir el HW entre múltiples usuarios en simultáneo, dando a lugar a lo que se conoce como sistemas de tiempo compartido


Arquitectura von NeumannArquitectura von Neumann

Unidad de Control

unidades periféricas

datos

unidad de entrada/salida

instrucciones

resultados

CPU

memoriaprincipal

unidadde control

unidadaritmético lógica

módulo de E/S módulo de E/S


MemoriaMemoriaEn el modelo sugerido por la arquitectura von Neumann, la memoria principal es utilizada para almacenar tanto programas como datos

La memoria se clasifica en función de distintos aspectos:

Por la forma de acceso

Por la forma de retención de los datos

Por el grado de persistencia de la información


Tipos de memoriaTipos de memoriaPor la forma de acceso:

Memoria de acceso secuencial: este tipo de memoria estipula que los datos en ella almacenados debenser accedidos en un determinado orden secuencial

Memoria de acceso aleatorio: esta es la memoria convencional, en la cual no existe restricción alguna en el orden en el cual se deban acceder los datosen ella almacenados

Memoria de acceso por contenido: esta memoria, denominada asociativa, se caracteriza por ser capaz de resolver búsquedas por contenido


Tipos de memoriaTipos de memoriaPor la forma de retención de los datos:

Memoria estática: en este tipo de memoria una vez almacenado un dato el mismo queda retenido sin ser alterado hasta que vuelva a ser modificado. Logra este comportamiento insumiendo mayor cantidadde componentes por cada celda

Memoria dinámica: en este tipo de memoria los datos son retenidos por breves intervalos de tiempo.Es decir, el sistema debe leer y volver a escribircada locación de memoria antes de que se pierdasu contenido. El beneficio es que insume una menor cantidad de componentes por cada celda


Tipos de memoriaTipos de memoriaPor el grado de permanencia de la información:

Volátiles: en este tipo de memoria la información almacenada se pierde en el mismo instante quese corte el suministro de corriente eléctrica

No volátiles: en este tipo de memoria la información almacenada persiste en el tiempo, más allá de quese disponga o no de una fuente ininterrumpidade alimentación


Tecnologías de memoriaTecnologías de memoriaTecnologías para la memoria principal:

Memoria RAM (Random Access Memory)

Memoria ROM (Read-Only Memory)

Memoria PROM (Programmable ROM)

Memoria EPROM (Erasable PROM)

Memoria EEPROM (Electrically Erasable PROM)

Memoria MRAM (Magnetoresistively RAM)

Memoria estilo FLASH


Organización de la memoriaOrganización de la memoriaLa memoria se organiza como un arreglode n celdas, cada una de k bits

Cada celda o locación cuenta conun identificador de log2(n) bits quela caracteriza denominado dirección

De igual forma, cada locación o celdaalmacena un contenido de k bits

Nótese que la menor unidad direccionablees la celda, si bien la unidad básica es el bit

El tamaño en bits de la celda es independientede la cantidad de bits de las direcciones

011100100000:0001:0010:0011:0100:

1110:1111:

11100101000110010111001000100101

0011100110010110

… …


Organización de la memoriaOrganización de la memoriaLa norma dicta que 8 bits componen un bytey que los bytes se agrupan en palabras

Una palabra suele tener 8, 16, 32 o 64 bits

La cantidad de bits por palabra está relacionada con el tamaño en bits de los registros del procesador

Las instrucciones en general operan sobre palabras

Las operaciones básicas con la memoria son:

Leer una palabra de la memoria

Escribir una palabra a la memoria


Ordenamiento de los bytesOrdenamiento de los bytesEn caso de que una palabra esté compuesta por múltiples bytes, ¿cómo se deben ordenar?

El esquema big-endian postula que se debe numerar los bytes de izquierda a derecha

En contraste, el esquema little-endian postula quese deben numerar los bytes derecha a izquierda

La decisión respecto a qué esquema utilizar poco afecta el desempeño del procesador

No obstante, resultará conflictivo transmitir palabras entre computadoras que no usen el mismo esquema


Ordenamiento de los bytesOrdenamiento de los bytestamaño de palabra: 32 bits

mensaje original: Hola Mundo! 01/10/2019

'H' 'o' 'l' 'a'' ' 'M' 'u' 'n''d' 'o' '!' 01 '/' 10 '/'227 7

big-endian little-endian

00 01 10 11 00 01 10 11

100 011 010 001 000

100 011 010 001 000 'H''o''l''a'

' ''M''u''n''d''o''!'01'/'10'/'2277


Interfaz con la memoriaInterfaz con la memoriaLa unidad controladora de la memoria cuenta esencialmente con dos registros:

El registro MAR el cual almacena la direcciónde una locación de memoria

El registro MDR el cual almacena el contenidode una locación de memoria

unidad controladorade la memoria

MAR MDR


Interfaz con la memoriaInterfaz con la memoriaOperación de lectura (load):

El procesador escribe la locación que se desea acceder en el registro MAR, luego activa la señalde lectura y finalmente accede a la palabra en cuestión la cual estará disponible en el registro MDR

Operación de escritura (store):

El procesador escribe la locación que se desea acceder en el registro MAR y el contenido quese desea almacenar en el registro MDR y porúltimo activa la señal de escritura


Organización físicaOrganización físicacolumnas

filas

celdas

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

11 10 01 00

dirección(110110)

tamaño: (cant. filas) x (cant. cols) x (bits x celda)tamaño: (cant. filas) x (cant. cols) x (bits x celda)


Diagrama lógico de detalleDiagrama lógico de detalle


Organización del procesadorOrganización del procesadorEl procesador incluye otros dos componentes básicos de la arquitectura von Neumann:

La unidad aritmético lógica (ALU)

La unidad de control

El procesador tiene como principal tarea orquestar el adecuado funcionamientode la computadora

A través de la ALU lleva adelante el procesamientode los datos de la manera en que el programaen ejecución le va indicando


Organización del procesadorOrganización del procesadorInternamente el procesador se puede descomponer en cuatro partes:

La unidad de control

La unidad aritmético lógica

Los registros del procesador

Las interconexiones entre estoscomponentes

Nótese la similitud entre laorganización del procesadory de la computadora

computadora

bus delsistema

memoria entradasalida

procesador

procesador

interconexióninterna delprocesador

unidadd decontrol ALU

registros


Data path vs. control pathData path vs. control path


Funciones del procesadorFunciones del procesadorFunciones desempeñadas por el procesador:

Traer de memoria principal la próxima instruccióndel programa en ejecución

Determinar de qué instrucción se trata (decodificar)

Obtener todos operandos referidos enla instrucción en curso

Llevar adelante el procesamiento de datossancionado por esa instrucción

Almacenar dónde corresponda los resultados


Ciclo básico del CPUCiclo básico del CPUPara cumplir con las tareas asignadas el procesador repite infinitas veces el siguiente ciclo básico de operación:

Etapa Fetch: se almacena en el registro IRla instrucción apuntada por el registro PC

Etapa Decode: durante esta etapa se determinade qué instrucción se trata

Etapa Effective Address: se calcula la dirección efectiva referida por la instrucción (si es que alguna) y/o se recuperan todos los operandos necesariospara comenzar a ejecutar la instrucción en curso


Ciclo básico del CPUCiclo básico del CPUContinúa:

Etapa Execute: conociendo de qué instrucción se trata y contando con los operandos que sean necesarios, durante esta etapa se programa a la ALU para que lleve adelante el procesamiento correspondiente

Etapa Memory: las arquitecturas RISC cuentan con una etapa específica donde se accede a memoria para leer o escribir una determinada locación

Etapa Write-Back: usualmente el resultado obtenido se almacena en alguno de los registros del procesador durante esta etapa


Ciclo básico del CPUCiclo básico del CPU

WRITEBACK

WRITEBACK

FETCHFETCH

MEMORYMEMORY

DECODEDECODE

EXECUTEEXECUTE

EFFECTIVEADDRESS

EFFECTIVEADDRESS


EjemploEjemplo

add R1, R2, R3load R3, [R5]bnz fin, R3

analicemos la evolución dela computadora al ejecutareste fragmento de código


EjemploEjemplo


13

4

R2

R3R12


EjemploEjemplo


13

2

4

R5

5

R3


EjemploEjemplo


13

24

R3

fin


Direccionamiento simbólicoDireccionamiento simbólicoEn un lenguaje de alto nivel es frecuente ver expresiones simbólicas tales como x = y + z

Al bajar de nivel, estas referencias simbólicas deben ser reemplazadas por la dirección en memoria donde se almacenen esas variables

Debemos tener en cuenta que la dirección deuna locación de memoria es a su vez un número

x = y + z → 123 = 15 + 83

Para diferenciar una dirección de su contenido haremos uso de pares de paréntesis

(123) = (15) + (83)


Registros del procesadorRegistros del procesadorLos registros son un almacenamiento temporal de muy alta velocidad

Se organizan en un banco de registros, el cual suele contar con múltiples puertos de lectura y/o escritura

La cantidad de bits de los registros coincidecon el tamaño de palabra del procesador

El tamaño de palabra nos da una idea aproximadade la capacidad de procesamiento del hardware(en particular, de la ALU)


Registros del procesadorRegistros del procesadorLos registros del procesador se clasificanen dos categorías:

Registros accesibles por el usuario: estos registros puede ser accedidos por el usuario a travésde las distintas instrucciones

Registros internos del procesador: estos registrosson utilizados exclusivamente por la unidad de control durante el desarrollo del ciclo básico del procesador


Registros del procesadorRegistros del procesadorLos registros accesibles al usuario se clasifican a su vez en otras dos categorías:

Registros de propósito general: estos registros están disponibles para que el programador haga un uso discrecional de los mismos (por caso, el registro acumulador EAX o el registro índice ECX)

Registros de propósito específico: estos registros usualmente tienen asignado un rol por defecto(por caso, el registro ESP que siempre apuntaal tope de la pila del programa)


Registros del procesadorRegistros del procesadorUno de los registros internos del procesador es el PSW (processor status word), el cual codifica el estado actual del procesador

Los registros internos del procesador sólo pueden ser alterados de manera indirecta

Por caso, el devenir de la ejecución de un programava alterando los registros internos PC e IR

De manera análoga, el resultado de la última operación realizada afectará al registro interno PSW


Acceso a los operandosAcceso a los operandosUna de las etapas del ciclo básicodel procesador requiere ganar accesoa los operandos de la instrucción en curso

A lo largo de la evolución de la computación se ensayaron muy diversas formas de especificar la ubicación de estos argumentos

Estas marcadas diferencias permiten clasificara las distintas arquitecturas en función cuántas referencias a memoria tienen las instrucciones


Arquitectura 0-addressArquitectura 0-addressLa arquitectura 0-address sólo cuenta con instrucciones que refieren a sus operandosde manera implícita

También se la conoce como arquitectura pila

La pila del sistema es origen y destino implícitode todas las operaciones aritmético-lógicas

Naturalmente, las instrucciones de acceso a memoria son una excepción, ya que sí explicitan la locación que se está accediendo


EjemploEjemploFragmento de código en una arquitectura0-address que evalúa la siguiente expresión:

A = B + C x D – C / E

push (B)push (C)push (D)mpypush (C)push (E)divsubaddpop (A)

se debe acordar el orden de apiladoen las operaciones no conmutativas

A, B, C, D y E son locaciones de memorialas cuales contienen los valores sobre

los cuales se desean operar


Arquitectura 1-addressArquitectura 1-addressLa arquitectura 1-address cuenta con instrucciones en las que se especificasólo uno de los argumentos

También se la conoce como arquitecturade acumulador único

Existe un registro especial llamado acumulador el cual es origen y destino implícito de todas las operaciones aritmético-lógicas

Puede contar con registros auxiliares los quese emplean para implementar modosde direccionamiento más complejos


EjemploEjemploFragmento de código en una arquitectura1-address que evalúa la siguiente expresión:

A = B + C x D – C / E

load Cmpy (D)store tmpload Cdiv (E)store Aload Badd (tmp)sub (A)store A

tmp es una locación arbitrariade memoria usada para almacenar

temporalmente un resultado intermedio

A también puede ser usado comoalmacenamiento intermedio puesto que

su contenido es destruido por la asignación


Arquitectura 1-address + regArquitectura 1-address + regLa arquitectura 1-address + registro cuentacon instrucciones en las que está permitido especificar un registro general a la parde una dirección de memoria

La arquitectura Intel x86 pertenece a esta categoría

En las operaciones con dos operandos de entradael registro especificado dentro de la instrucciónse convierte en el destino implícito del resultado

Este tipo de arquitectura cuenta con la instrucciónMOV para mover información desde y hacia memoriay también entre los registros


EjemploEjemploFragmento de código en una arquitectura1-address + reg para la siguiente expresión:

A = B + C x D – C / E

mov R0, [C]mov R1, R0mul R0, [D]div R1, [E]add R0, [B]sub R0, R1mov [A], R0

en algunas arquitecturas se utilizancorchetes en lugar de los paréntesis

asumiremos que el destino delas operaciones se indica primero

(al igual que en la arquitectura x86)


Arquitectura 2-addressesArquitectura 2-addressesLa arquitectura 2-addresses cuenta con instrucciones en las que está permitido especificar hasta dos direcciones de memoria

En las operaciones con dos operandos de entrada,uno de los argumentos especificado dentro dela instrucción se convierte en el destino implícito

Este tipo de arquitectura también cuenta con la instrucción MOV para mover información libremente entre memoria y registros


EjemploEjemploFragmento de código en una arquitectura2-addresses para la siguiente expresión:

A = B + C x D – C / E

mov [A], [B]mov R0, [C]mov R1, R0mul R0, [D]div R1, [E]add [A], R0sub [A], R1

en esta arquitectura tambiénasumiremos que el destino de

las operaciones se indica primero


Arquitectura 3-addressesArquitectura 3-addressesLa arquitectura 3-addresses cuenta con instrucciones en las que está permitido especificar hasta tres direcciones de memoria

Este tipo de arquitectura evidentemente brindala máxima flexibilidad a los programadoresdel sistema que estén a cargo de implementarlos distintos compiladores

No obstante, el tamaño de las instrucciones hade variar en gran medida en función de la cantidadde direcciones de memoria que se especifiquen


EjemploEjemploFragmento de código en una arquitectura3-addresses para la siguiente expresión:

A = B + C x D – C / E

mul [A], [C], [D]div R0, [C], [E]add [A], [B], [A]sub [A], [A], R0

como se puede apreciar, este tipode arquitectura genera código

muy compacto... ¿pero a qué precio?


Arquitectura reg. a reg.Arquitectura reg. a reg.La arquitectura registro a registro cuenta con instrucciones que sólo operan sobre registros

Todas las arquitecturas RISC (por caso, la ARM) adoptan esta configuración

De manera análoga a la arquitectura pila, se cuenta con instrucciones especificas de acceso a memorialas cuales permiten especificar usualmentea lo sumo una dirección de memoria

Los modos de direccionamiento más avanzadosse logran combinando esa dirección de memoriacon uno o más registros


EjemploEjemploFragmento de código en una arquitecturaregistro a registro para la siguiente expresión:

A = B + C x D – C / E

lda R0, Bload R1, (R0)lda R0, Cload R2, (R0)lda R0, Dload R3, (R0)lda R0, Eload R4, (R0)mul R5, R2, R3div R6, R2, R4add R1, R1, R5sub R1, R1, R6lda R0, Astore (R0), R1

analizar este fragmento de códigoen busca de alguna posible optimización

extra en el uso de los registros

asumiremos que la única instrucción quepermite referir una dirección de memoria

es la instrucción lda (load address)


Entrada / SalidaEntrada / SalidaEl último componente de la arquitecturavon Neumann que nos resta abordar selo conoce como entrada/salida

Las computadoras rápidamente demandaron almacenar más información de la que se podía almacenar en la memoria principal

En consecuencia, a lo largo del tiempose han ensayado distintas tecnologías para implementar esta memoria secundaria


Bus del sistemaBus del sistemaLa arquitectura von Neumann presenta un serio cuello de botella: el canal de comunicación entre el procesador en resto de la computadora

Las primeras computadoras adoptabanun esquema de bus único

Por ejemplo, el Omnibus de la PDP-8:


Bus del sistemaBus del sistemaLas arquitecturas másrecientes empezaron ahacer uso de múltiplesbuses independientes

Por caso, una típica PCde escritorio cuenta congran cantidad de busesde propósito específico

Hoy en día las funcionesdel northbridge se hanincorporado al procesador


FSB vs. BSBFSB vs. BSBEn lo que al CPU respecta, cuenta básicamente con dos buses:

El Front Side Bus (FSB) para interconectarel procesador con el resto de la computadora

El Back Side Bus (BSB) para interconectarlos componentes internos del procesador entre sí

bus interface(cache L2)

core(cache L1)

core(cache L1)

core(cache L1)

core(cache L1)

Front Side Bus

Back Side Bus


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