Funcionamiento de la CPU

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Funcionamiento de la CPU

• Arquitectura y Organización de Sistemas de
  Computación
• Universidad de Concepción
• D.I.I.C.C
• Johana Pérez M.
• Abril 2002

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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

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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

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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

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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

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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

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Organización CPU (cont.)
Estructura Interna CPU
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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.

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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

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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

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4. Ciclo de Instrucción Fetch

• 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

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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

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Ciclo de Instrucción (cont) Diagrama
de estados completo del Fetch
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Ciclo de Instrucción (cont.) Flujo de
datos, ciclo búsqueda de instrucción
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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.

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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.

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Segmentación de Instrucciones (cont.)

• Lavandería Segmentada
• Recibir Cargas
• Lavar Carga i
• Secar Carga i y lavar Carga i1
• Planchar Carga i, secar Carga i1 y lavar Carga
  i2
• Total (4 cargas) 3.5 horas

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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

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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

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Segmentación de Instrucciones (cont.)
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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.

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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.

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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.

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6. Pentium y PowerPC

• Procesador Pentium
• Registros

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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...

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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

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Pentium y PowerPC (cont.)

• Power Pc
• Registros

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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

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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.

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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.

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Consultas y comentarios http//www.udec.cl/johpe
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