arquitectura de von neumann. unidad de control ula registradores bus de direcciones bus de datos bus...
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Arquitectura de Von Neumann
Unidad de Control
ULA
Reg
istra
do
res
Bus de direcciones
Bus de Datos
Bus de control
Arquitectura de Von Neumann
Memoria
Procesador
Arquitectura de Von Neumann
El procesador está compuesto:
a) Unidad de Control
b) Unidad Lógica Aritmética (ULA/ALU)
c) Tres registros básicos (puede tener muchos más):
Registro de Instrucción
Registro de direcciones o Contador de Programa (PC)
Acumulador
Ciclo de Instrucción
La ejecución de una Instrucción puede ser dividida en cinco partes:
• Ciclo de lectura.
• Ciclo de decodificación.
• Ciclo de cálculo de direcciones (de los operandos).
• Ciclo de Ejecución.
• Ciclo de Escritura .
Ciclo de Lectura En el ciclo de lectura el procesador realiza las siguientes tareas:
•La Unidad de Control calcula la dirección de la próxima instrucción (la que va ser ejecutada) y la coloca en el PC.
•La unidad de control coloca el contenido del PC en el bus de direcciones.
•La Unidad de control envía una señal de control (por el bus de control) informando que la operación es de lectura a la memoria.
•Se hace la lectura de la memoria y se coloca el contenido de la palabra solicitada en el bus de datos.
•la memoria envía una señal de control (por el bus de control) informando que la información ya esta en el bus de datos.
•La unidad de control carga la información que se encuentra en el bus de datos en el registro de instrucción.
•En este punto termina el ciclo de lectura
Ciclo de DecodificaciónDecodificar significa interpretar o determinar la semántica de la instrucción.
•La unidad de control debe interpretar la instrucción que se encuentra en el registro de instrucción.
•En este sentido, debe conocer la semántica de cada instrucción de todo el conjunto de instrucciones ofrecido por la arquitectura
•El diseñador coloca el conocimiento sobre la semántica de las instrucciones en la unidad de control.
•De la misma manera, el diseñador coloca la unidad de control el conocimiento de como una instrucción debe ser ejecutada.
•En la verdad, lo que es decodificado (o interpretado) es el OPCODE de la instrucción.
•En la ejecución de una instrucción, la unidad de control envía las señales de control necesarias (y en orden correcto) para que la instrucción sea ejecutada correctamente.
Ciclo de Cálculo de direcciónLa unidad de control necesita saber donde están los operandos que serán usados en la ejecución de la instrucción.
•En el caso de la instrucción SUM #13, el primer operando está en el acumulador y el segundo está en el byte que sigue a la instrucción.
•Este operado requiere ser traído para el procesador mediante una operación de lectura.
•El cálculo de las direcciones depende de la arquitectura y del modo de direccionamiento del conjunto de instrucciones.
Ciclo de EjecuciónTomemos el caso del ciclo de ejecución para la instrucción siguiente:
SUM A, #13
Semántica: sumar al contenido del acumulador el valor especificado en el segundo byte de la instrucción (en este caso: 13)
•El procesador carga el contenido del acumulador en una de las entradas de la ULA.
•El procesador carga el valor de 13 (en binario) en la otra entrada de la ULA
•El procesador indica a ULA que la operación va ser la suma
•La ULA realiza la operación y la unidad de control direcciona el resultado para el acumulador.
Ciclo de EscrituraEn el ciclo de escritura la Unidad de Control ejecuta las siguientes tareas:
•La Unidad de Control calcula la dirección (si fuera necesario) de la posición de la memoria donde será copiado el resultado de la instrucción.
•La dirección es cargada en el bus de direcciones.
•La Unidad de Control coloca la información del resultado en el bus de datos
•La Unidad de Control envía una señal de control indicando que la operación es de escritura.
•La memoria realiza la operación de escritura en la posición respectiva de memoria.
Unidad de Control
ULA
Reg
istra
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res
Bus de direcciones
Bus de Datos
Bus de Control
Recapitulando…
La arquitectura está formada por el procesador, memoria, buses y por el Conjunto de Instrucciones, y este es determinado por el diseñador !
Unidad de Controle
ULA Reg
istra
dor
es
Bus de direcciones
Bus de Datos
Bus de Control
Toda Instrucción tiene un código en binario. Ejemplo:
SUM = 10101101 (código de la instrucción en binario)
El código de la instrucción en binario es denominado OPCODE (Código de operación). En este caso, el OPCODE ocupa un byte y el operando ocupa otro o byte. La instrucción completa ocupa dos bytes
SUM13
Modos de direccionamientoEn la instrucción SUM #13 un operando es el contenido del acumulador y el otro operando está incluido en la propia instrucción
•En este caso, el segundo byte de la instrucción contiene el segundo operando de la instrucción.
•Observe que el primer operando ya está en el acumulador y solo requiere ser cargado en este registrador para la ULA
•El segundo operando está en la memoria (luego debe ser traído mediante una operación típica de lectura)
•La manera como son obtenidos los operandos de una instrucción es denominada el Modo de direccionamiento.
•Está instrucción tiene un modo de direccionamiento para el primer operando y otro modo para el segundo operando.
Modos más comunes de DireccionamientoModo de
direccionamiento
Ejemplo de instrucción
Semántica En que caso es usado
Registro Add Acc, B Acc Acc + B cuando un valor está en un registro. En este caso, el
acumulador (Acc) recibe su valor actual mas el
contenido del registrador B Inmediato Add Acc, #3 Acc Acc + 3 Para constantes Directo o absoluto
Add B, (1001) B B + Mem[1001] Usado para acesar datos estáticos; la constante de
endereccionamiento puede requerir ser grande. En este caso, el registrador
B recibe su valor actual pero el contenido de la
posiçión de memoria 1001 Indirecto de
memoria Add B, @(1000) B B+
Mem[Mem[1000]] Si 1000 es la dirección de
un puntero p, entonces este modo produce *p
Unidade de Controle
ULA Reg
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Bus de direcciones
Bus de Datos
Bus de Control
13SUM
Limitaciones del Modelo de Von Neumann
“El embotellamiento de Von Neumann !”
El problema del tráfico en le bus de
datos
Aún no hemos hablado sobre el problema de las limitaciones del Modelo de Von Neumann !
• Los buses pueden ser vistos como canales de comunicación.
•Específicamente, el bus de datos soporta el transito de las instrucciones y de los datos.
• Además, el bus de datos es bidireccional
• que sucede en una avenida donde se duplica el flujo de carros por unidad de tiempo ?.
Limitaciones del Modelo de Von Neumann
• Debe ser observado que esto es una limitación del modelo computacional.
• Podemos mejorar el canal:
�eje: aumentando el ancho de banda (por ejemplo,
pasando de 32 bits a 64 bits)
Limitaciones del Modelo de Von Neumann
Entretanto, el nuevo canal volverá a tene una limitación de la misma naturaleza!!!
“Embotellamiento de Von Neumann”
• La expresión embotellamiento de Von Neumann parece haber sido usada por primera vez por Backus (1978), en 1977
• Sucedió cuando daba una conferencia cuando recibió el primio Turing de la ACM, intitulada “Can programming be liberated from the von Neumann style? A functionl style and íts algebra of proqrams”
• Backus critica el hecho de que más de 30 años después de la la introducción de las arquitecturas de Von Neumann aún son dominantes
“Embotellamiento de Von Neumann”
• Podemos resumir el problema del embotellamiento de Von Neumann en dos dos términos
a) el canal de comunicación (bus) entre el procesador y la memoria tiene capacidad limitada
b) ejecución del programa es secuencial !
Como resolver el problema?
• en la verdad, solo podemos “aliviar” el problema del embotellamiento de Von Neumann
• Esto sucede, debido a que son limitaciones intrínsecas del modelo
• En el primer punto, podemos aumentar el ancho de la banda del canal.
Estas ha sido las tendencias en desarrollo de los procesadores !
a) aumentando el tamaño (en bits) del bus
b) usando fibras ópticas para implementar el bus.
Como resolver el problema?
En el segundo punto podemos usar Paralelismo
Podemos dividir el programa en vários subprogramas
Estos subprogramas deben ser independientes entre sí
Desta manera, pueden ser ejecutados en paralelo (en processadores independientes)
Desafortunademente no siempre se puede usar paralelismo!!! Los programas tienen un grado de paralelismo....
Esta ha sido otra tendencia en desarrollo de los computadores….
El problema de usar paralelismo !
•Supongamos este trecho de programa:
1a instrucción: a = b + c
2a instrucción: d = a * d
3a instrucción: z = a + d
• Si tuvieramos 3 procesadores, solo uno podrá trabajar !
• Los otros 2 procesadores quedarán de “brazos cruzados”
• Esto sucede por la denominada “Dependencia de Datos !”
• Este programa solo puede ser ejecutado secuencialmente!!!
El problema de usar paralelismo
• Un programa ejecutado en paralelo (usando vários procesadores) debe dar el mismo resultado que si es ejecutado secuencialmente !
• Esto es, la integridad secuencial del programa debe ser mantenida cuando es ejecutado usando varios procesadores !
Proc60%/yr.(2X/1.5 ano)
DRAM9%/yr.(2X/10 ano)1
10
100
10001980
1981
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1995
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1997
1998
1999
2000
1982
Processador-memoria“gap”de desempeño:(crece 50% / year)
Des
emp
eño
Año
Ley de Moore
El problema del gap entre procesador y las Memórias
Esto muestra el drama: el desempeño de los procesadores avanza mas rápido que el desempeño de la memórias !
Unidad de Control
ULA Reg
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es
Bus de didrecciones
Bus de Datos
Bus de Control
13SUM
Cual ha sido una forma de resolver el problema !
Memoria Cache