UNIDAD II ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LA CPU

2.1 ORGANIZACIÓN DEL PROCESADOR

Un procesador, incluye tanto registros visibles por el usuario como registros de control/estado. Los registros visibles por el usuario pueden ser de uso general o tener una utilidad especial, mientras que los registros de control y estado se usan para controlar el funcionamiento del procesador, un claro ejemplo es el contador de programa.

Captación de instrucción

De codificación de instrucción

Cálculo de direcciones de operando

Ejecución de instrucción 

Estructura del operando resultado.

Captar instrucciones: el procesador lee una instrucción de memoria (registro, cache o memoria principal).

Interpretar instrucción: la instrucción se codifica para determinar qué acción es necesario.

Captar datos: la ejecución de una instrucción puede exigir leer datos de memoria o de un módulo de E/S.

Procesar datos: la ejecución de una instrucción puede exigir llevar a cabo alguna operación aritmética o lógica con los datos.

Escribir datos: los resultados de una ejecución pueden exigir escribir datos en la memoria o en el módulo de E/S.

Para hacer estas cosas, el procesador necesita almacenar instrucciones y datos temporalmente mientras una instrucción está ejecutándose, en otras palabras el procesador necesita una pequeña 

memoria interna.

En la anterior figura se muestra una visión simplificada de un procesador
, que indica su conexión con el resto de sistema, a través del bus del sistema. 
La ALU
lleva a cabo el verdadero cálculo o procesamiento de datos. 
La unidad de control
controla la transferencia de datos e instrucciones así a dentro y así afuera del procesador, y el funcionamiento de la ALU. Además la figura muestra una memoria interna mínima, que consta de un conjunto de posiciones de almacenamiento llamadas registros.
En esta figura se indican 
los caminos de transferencia de datos y de la lógica de control
, que incluye un elemento con el rotulo bus interno del procesador. También se muestran los 
elementos básicos típicos de la ALU
. Hay que observar la similitud entre la estructura interna del computador en su totalidad y la estructura interna del procesador. En ambos casos hay una pequeña colección de elementos principales (computador: procesador, E/S, memoria; procesador: unidad de control, ALU, registros) conectados por caminos de datos.
Se encarga de calcular y distribuir las tareas que se deben ejecutar. Entre sus funciones está la de hacer solicitudes a la memoria para obtener todos los datos necesarios para realizar su computación; también está la de hacer gestiones a la interfaz de entrada y salida para permitir la lectura de los caracteres del teclado, los clicks del ratón, mostrar las ventanas en el monitor, etc.

2.2 ESTRUCTURA DE REGISTROS

Temas a ver La CPU Unidad Central de Procesamiento es el cerebro de la computadora
Su función es ejecutar programas almacenados en la memoria principal buscando sus instrucciones y examinándolas para después ejecutarlas una tras otra. 
Los componentes están conectados por un bus, pueden ser externos a la CPU, cuando la conectan a la memoria y a los dispositivos de E/S, pero también internos.
Un CPU contiene:
una unidad de control que se encarga de buscar instrucciones de la memoria principal
una memoria pequeña de alta velocidad para almacenar resultado temporales y cierta informacion de control (registros)
Organización del procesador El CPU debe:
-Extraer instrucciones
-Interpretar instrucciones
-Extraer datos
-Procesar datos
-Escribir datos
Estructura del CPU -El CPU debe tener un espacio de trabajo (almacenamiento temporal)
Llamados registros
-La cantidad y función varía dependiendo del diseño del procesador
Registros El Registro está organizado en una estructura jerárquica compuesta por subárboles con sus respectivas claves, subclaves y entradas.
El contenido del Registro puede variar considerablemente de un equipo a otro, en función de los dispositivos, servicios y programas instalados en cada equipo.
Las claves pueden contener subclaves que, a su vez, pueden contener otras subclaves. Aunque la mayor parte de la información del Registro se almacena en disco y se considera permanente, algunos datos almacenados en claves volátiles se sobrescriben cada vez que se inicia el sistema operativo.
Estructura del registro Registros visibles al usuario •Pueden ser verdaderamente de propósito general
•Pueden ser restringidos
•Pueden usarse para datos o direccionamiento
•Datos
-acumulador
•Direccionamiento
-segmento

-Hacerlos de propósito general
•Aumentan la flexibilidad y opciones del programador
•Aumenta el tamaño de la instrucción y complejidad

-Hacerlos especializados
•Instrucciones más pequeñas(más rápidas)
•Menor flexibilidad

Tamaño de los registros de propósito general
•Lo suficientemente grandes para guardar una dirección completa
•Lo suficientemente grande para guardar una palabra completa
Registros de propósito general -propósito general
-datos
-direcciones
-códigos de condición
•Contador
•Registro decodificador de instrucción
•MAR=Registro de direccionamiento de memoria
•MBR=Registro de buffer de memoria

Palabra de estado del programa
•Un conjunto de bits
•Incluye códigos de condición
•Signo del último resultado
•Cero
•Igualdad
•Sobre flujo
•Interrupciones habilitadas o deshabilitadas
•supervisor
Registros de estado y de control

2.3. Temporización: reloj de sistema, reset del

sistema, estados de espera.

Reloj del sistema

El reloj de una computadora se utiliza para dos funciones principales:

1. Para sincronizar las diversas operaciones que realizan los diferentes subcomponentes del sistema informático.

2. Para saber la hora.

El reloj físicamente es un circuito integrado que emite una cantidad de pulsos por segundo, de manera constante. Al número de pulsos que emite el reloj cada segundo se llama Frecuencia del Reloj.

La frecuencia del reloj se mide en Ciclos por Segundo, también llamados Hertzios, siendo cada ciclo un pulso del reloj. Como la frecuencia del reloj es de varios millones de pulsos por segundo se expresa habitualmente en Megaherzios.

El reloj marca la velocidad de proceso de la computadora generando una señal periódica que es utilizada por todos los componentes del sistema informático para sincronizar y coordinar las actividades operativas, evitando el que un componente maneje unos datos incorrectamente o que la velocidad de transmisión de datos entre dos componentes sea distinta.

Cuanto mayor sea la frecuencia del reloj mayor será la velocidad de proceso de la computadora y podrá realizar mayor cantidad de instrucciones elementales en un segundo.

El rango de frecuencia de los microprocesadores oscila entre los 4,77 megaherzios del primer PC diseñado por IBM y los 200 megaherzios de las actuales computadoras basadas en los chips Intel Pentium.

En máquinas de arquitectura Von Neumann la mayoría de las operaciones son serializadas, esto significa que la computadora ejecuta los comandos en un orden preestablecido. Para asegurarnos de que todas las operaciones ocurren justo en el tiempo adecuado, las máquinas 80×86 utilizan una señal alternante llamada el reloj del sistema.

En su forma básica, el reloj del sistema maneja toda la sincronización de un sistema de cómputo. El reloj del sistema es una señal eléctrica en el bus de control que alterna entre los valores de cero y uno a una tasa dada. La frecuencia en la cual el reloj del sistema alterna entre cero y uno es llamada frecuencia del reloj de sistema. El tiempo que toma para cambiar de cero a uno y luego volver a cero se le llama periodo de reloj, también llamado ciclo de reloj. La frecuencia del reloj es simplemente el número de ciclos de reloj que ocurren en un segundo, en sistemas actuales, éste valor excede los 200 ciclos por segundo, siendo ya común frecuencias del orden de los 366 Mhz. (Mega Hertz?, que equivale a un millón de ciclos por segundo). Observe que el periodo de reloj es el valor inverso de la frecuencia, por lo tanto, para un sistema de 200 Mhz el periodo es igual a 5 nanosegundos. Para asegurar la sincronización, el CPU inicia una operación ya sea en el flanco ascendente (cuando la señal cambia de cero a uno) ó en el descendente (cuando la señal cambia de uno a cero). Como todas las operaciones de un CPU están sincronizadas en torno a su reloj, un CPU no puede ejecutar operaciones más rápido que la velocidad del reloj.

2.4. Interrupciones de Hardware :  Enmascarable, no-enmascarable.

Interrupción (también conocida como interrupción de hardware o petición de interrupción) es una señal recibida por el procesador de un ordenador, indicando que debe "interrumpir" el curso de ejecución actual y pasar a ejecutar código específico para tratar esta situación.

Una interrupción es una suspensión temporal de la ejecución de un proceso, para pasar a ejecutar una subrutina de servicio de interrupción, la cual, por lo general, no forma parte del programa (generalmente perteneciente al sistema operativo, o al BIOS). Luego de finalizada dicha subrutina, se reanuda la ejecución del programa.

Las interrupciones surgen de las necesidades que tienen los dispositivos periféricos de enviar información al procesador principal de un sistema de computación. La primera técnica que se empleó fue que el propio procesador se encargara de sondear (polling) los dispositivos cada cierto tiempo para averiguar si tenía pendiente alguna comunicación para él. Este método presentaba el inconveniente de ser muy ineficiente, ya que el procesador constantemente consumía tiempo en realizar todas las instrucciones de sondeo.

El mecanismo de interrupciones fue la solución que permitió al procesador desentenderse de esta problemática, y delegar en el dispositivo la responsabilidad de comunicarse con el procesador cuando lo necesitara. El procesador, en este caso, no sondea a ningún dispositivo, sino que queda a la espera de que estos le avisen (le "interrumpan") cuando tengan algo que comunicarle (ya sea un evento, una transferencia de información, una condición de error, etc.)

2.5. Acceso Directo a memoria.
Puesto que la mayoría de datos que maneja el ordenador están antes o después en la memoria RAM, los intercambios entre esta y el resto de elementos son muy frecuentes.  En general este intercambio es conducido por el procesador, pero en determinados casos, la memoria pueda realizar intercambios directamente con los periféricos sin intervención del procesador.  Por ejemplo, el disco o una tarjeta de sonido, lo que conduce a un incremento del rendimiento del sistema.

2.6. Sistema de vídeo.

 (señal de vídeo) y del sonido (señal de audio) se graban y almacenan en la cinta de vídeo (que es un soporte de plástico recubierto de óxido de hierro que queda magnetizado). Durante la reproducción, la información almacenada se vuelve a convertir en señales de audio y vídeo y son traducidas por el aparato de TV. La cantidad de información electrónica es mucho mayor para la grabación de vídeo que para la de audio. Existen diferentes sistemas de grabación en cinta analógica, de forma generalizada diferenciaremos los sistemas domésticos (fácil manejo, pero no permiten copias para edición o posproducción sin pérdida) de los sistemas profesionales, cuyas imágenes no se deterioran en posteriores copias para edición o posproducción. Los formatos de vídeo analógico más usados son:

TIPO	FORMATO DE GRABACIÓN	CINTA	CARACTERÍSTICAS
Betacam Sp	Y/C Componentes	½ pulgada	Estándar de calidad en sistemas de edición profesional
U-MATIC	RGB compuesto	¾ pulgada	Antiguo formato de edición profesional
S-VHS	Y/C Componentes, realmente graba como una señal compuesta	½ pulgada	Buena calidad, Compatible con VHS
HI-8	Y/C Componentes	8 mm	Buena calidad de grabación, debe copiarse a un formato superior para posproducción
VHS	Pal, compuesto	½ pulgada	No tiene calidad suficiente para aplicaciones profesionales o posproducción

2.7 Sistema de discos.

(system disk, disco de inicio, disco de arranque, disco de buteo). Disco flexible oCD que una computadora puede usar para iniciar un sistema operativo si eldisco duro falla (o por otros motivos).

Generalmente las PCs cuando se inician leen primero si existe un disco de sistema en las lectoras. El usuario puede cambiar desde el BIOS para que se lea primero el disco duro antes que el disco flexible o CD.