funcionamiento de la cpu arquitectura y organización de sistemas de computación universidad de...
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Funcionamiento de la CPUFuncionamiento de la CPU
Arquitectura y Organización de Sistemas de Computación
Universidad de Concepción
D.I.I.C.C
Johana Pérez M.
Abril 2002
Temas
Introducción
Organización del Procesador
Memoria Interna: Registros Registros visibles al usuario (programador) Registros de Control y Estado
Ciclo de instrucción
Segmentación de instrucciones ¿Cómo se ejecuta? Riesgos de la segmentación Manejo de excepciones
Registros del procesador Pentium vs PowerPC
Conclusiones y Comentarios
1. Introducción
Objetivo Estudiar el funcionamiento general de la CPU,
diferenciando sus componentes
Objetivos específicos Conocidos los componentes de la CPU ahondar en
ciertos aspectos relevantes del funcionamiento Estudiar alguna forma de optimizar el tiempo de usos de
los componentes de la CPU
2. Organización del Procesador
El procesador o CPU (Unidad Central de Proceso)
Controla el funcionamiento del computador Realiza procesamiento de datos Es uno de los componentes estructurales del computador
Memoria Principal: transfiere datos internamente Entrada / Salidas: transfiere datos desde y hacia los
periféricos Sistema de Interconexión: comunica Cpu, memoria principal
y E/S Se compone también de cuatro elementos estructurales:
Organización CPU (cont.)
Unidad de Control (UC) Controla funcionamiento CPU
Unidad Aritmético Lógica (ALU) Procesa datos
Registros Almacenamiento interno
Interconexiones Comunicación entre UC, ALU
y los registros
Organización CPU (cont.)
Funciones de la CPU Captar Instrucciones desde memoria Interpretar instrucciones Captar datos Procesa datos Escribir datos en memoria o en módulo de E/S
Notar similitud de la estructura de la CPU con la estructura interna del computador
Organización CPU (cont.) Estructura Interna CPU
3. Memoria Interna: Registros
Registros: celdas de memoria de alta velocidad que permiten el almacenamiento temporal de los datos mientras se realizan operaciones.
Para este estudio se clasificarán en: Registros Visibles al Programador Registros de Control y Estado
Otro registro importante es PSW (palabra de estado del procesador) Contiene códigos de condición Información de estado Información de Modo etc.
Memoria Interna: Registros (cont.)
La decisión de diseño para los registros mencionados depende de:
Sistema operativo Distribución de información de control entre memoria y
registros Costos vs. Velocidad
Memoria Interna: Registros (cont.)
R. Visibles al Usuario
Registros de Propósito General
Registros de Dirección (parcialmente generales, registros índices o Stack Pointer)
Registros de Datos Registros de Condición
(flags, son fijados por Hw.)
R. Control y Estado
Contador de Programa (PC)
Registro de Instrucción (IR)
Registro de dirección de Memoria (MAR)
Registro Intermedio de Memoria (MBR)
Estos registros tienen gran importancia en la ejecución del ciclo de instrucción
Este ciclo se puede resumir en la figura.
Cuando están involucrados más de un operando cada uno de ellos requiere un acceso.
Se debe realizar un tratamiento especial cuando hay direccionamiento indirecto
4. Ciclo de Instrucción: Fetch
Ciclo de Instrucción (cont)
Cuando hay direccionamiento indirecto se alternan la búsqueda y la ejecución de instrucciones.
Luego de ejecutar una instrucción de este tipo se puede producir una interrupción antes de buscar la siguiente instrucción
Ciclo de Instrucción (cont)
Diagrama de estados completo del Fetch
Ciclo de Instrucción (cont.)
Flujo de datos, ciclo búsqueda de instrucción
5.Segmentación de Instrucciones: Pipelining
Idea: Instrucciones utilizan los recursos distintos en distintas
etapas de la ejecución, entonces se ejecutan múltiples instrucciones simultáneamente siempre y cuando TODAS se encuentren en distintas etapas de ejecución.
¿Por qué a la segmentación se le llama Pipelining? Porque al igual que en una tubería, se aceptan entradas
nuevas en un extremo antes de que las anteriores sean salidas en el otro extremo.
Segmentación de Instrucciones (cont.)
Lavandería Secuencial
Recibir Cargas Lavar Carga i Secar Carga i Planchar Carga i
Las máquinas quedan desocupadas en algunos ciclos
Total (4 cargas): 6 horas.
Segmentación de Instrucciones (cont.)
Lavandería Segmentada
Recibir Cargas Lavar Carga i Secar Carga i y lavar
Carga i+1 Planchar Carga i, secar
Carga i+1 y lavar Carga i+2
Total (4 cargas): 3.5 horas
Segmentación de Instrucciones (cont.)
¿Cómo se ejecuta la segmentación? En cada ciclo se inicia la ejecución de una instrucción Existen múltiples instrucciones en ejecución Se inicia una ejecución en cada ciclo de reloj
La segmentación: No mejora latencia individual Mejora el throughput global Está limitada por la instrucción más lenta
Segmentación de Instrucciones (cont.)
Se descomponen las instrucciones para evitar el desbalanceamiento:
Buscar Instrucción (FI) Decodificar Instrucción (DI) Calcular Operandos (CO) Buscar Operandos (FO) Ejecutar instrucción (EI) Escribir Operando (WO)
Como se ve en la figura, el tiempo de ejecución se reduce de 54 a 14 unidades de tiempo
Segmentación de Instrucciones (cont.)
Segmentación de Instrucciones (cont.)
Riesgos del Pipelining
Estructurales : ocurren conflictos de Hw. En distintas etapas de ejecución.
Cada unidad funcional de memoria puede ser usada sólo una vez por instrucción
Cada unidad funcional debe ser usada en el mismo estado por todas las instrucciones
Solución: Definir un estado de memoria que no hace nada.
De control: Bloqueos después de cada salto, por si hay que esperar la
próxima instrucción Predicción de saltos, ejecutar el salto en forma paralela con
todas las instrucciones.
Segmentación de Instrucciones (cont.)
Riesgos del Pipelining (cont.)
De Datos: Una instrucción depende del resultado previo. Es necesario actualizar a tiempo el valor de las variables
que van a ser ocupadas,
La segmentación incrementa el número de instrucciones que se ejecutan a la vez, y también su rapidez.
El resultado obtenido al utilizar esta técnica no depende de la metodología escogida, sino que también del set de instrucciones del procesador.
Segmentación de Instrucciones (cont.)
Manejo de Excepciones
Las excepciones se pueden producir en los siguientes casos:
Desbordamiento aritmético Petición de E/S Intento de uso de instrucciones privilegiadas Mal funcionamiento de la circuitería
El problema de los computadores segmentados es asociar correctamente la excepción con al instrucción que la causó.
6. Pentium y PowerPC
Procesador Pentium Registros
Pentium y PowerPC (cont.)
Procesador Pentium (cont.) Registros Eflags: representan el estadoi del procesador
Indicadores de trampa (se utilizan para depuración de programas)
Indicador de habilitación de interrupciones Indicador de dirección entre otros...
Registros de Control (4 de 32 bits cada uno) Protección Tareas conmutadas Coprocesador aritmético (cuando se ejecutan programas de
maquinas anteriores al Pentium) Indicadores de Paginación entre otros...
Pentium y PowerPC (cont.)
Procesador Pentium (cont.) Procesamiento de Interrupciones : se suspende el flujo
de instruccione sen curso Interrupción: señal Hw (durante la ejecución del programa) Excepción: señal sw (durante la ejecución de la instrucción)
Programadas Detectadas por el procesador
En ambos casos el procesador guarda el contexto del proceso actual y pasa a una rutina definida previamente
Tabla de vectores de interrupción (256 vectores de 32 bits) Para retornar después de una interrupción, la rutina de
servicio ejecuta la instrucción IRET, se retoma la ejecución a partir del punto de interrupción
Pentium y PowerPC (cont.)
Power Pc Registros
Pentium y PowerPC (cont.)
Power Pc (cont.) Registro 0
se utiliza como carga, almacenamiento y en algunas instrucciones de suma, el valor es siempre 0 independiente del contenido
Registros de excepción 3 bits, se manejan excepciones en operaciones aritméticas,
o también como contador Registro de enlace
se utiliza con instruccioens de bifurcación condicional para direccionamiento indirecto de las direcciones de destino
Pentium y PowerPC (cont.)
Power Pc (cont.) Procesamiento de interrupciones
Interrupciones
• Por ejecución de una instrucción
• Por condición o evento dle sistema Se maneja un registro de estado de la Máquina: MSR
• Obj. Recuperar después de una interrupción el estado que tenía el procesador en el momento de la interrpción. Se utiliza en modo monitor, nunca en modo usuario.
Manipulación de interrupciones
• Para retornar después de una interrupción se ejecyçuta la instrucción RFI.
Conclusiones y Comentarios
El procesador es el responsable de la mayor parte de las funciones del computador, por lo tanto toda decisión tomada sobre su diseño debe ser tomada en forma muy responsable.
El procesador puede ser considerado como un “mini” computador interno ya que coordina, controla y ejecuta instrucciones.
La interdependencia existente entre ciertas instrucciones hace los intentos de optimizar el uso de la CPU muy difíciles.
Consultas y comentarios: http://www.udec.cl/~johperez