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Sistemas Digitales II
E. Romero A. ITSON
Diseo de un procesador de 8 bits
El procesador simplificado mostrado en la figura 1, puede ser
implementado mediante el esquema de procesador discreto mostrado en
la figura 2. A grandes rasgos, en ste esquema puede distinguirse 2
grandes bloques: el primero de ellos, formado por la interconexin
en bus de un conjunto de registros y la ALU, denominado trayectoria
de datos y otro que es la unidad de control.
Procesadory
controlMemoria
Bus de direcciones
Bus de datos (escritura)
Bus de datos (lectura)
Figura 1: Procesador bsico simplificado
Analizando ms detalle el esquema, se puede notar que el
procesador discreto cuenta con las siguientes partes: PC Apuntador
de programa: Es un contador el cual se incrementa al recibir un
1
lgico en la lnea (X5) de incremento. ACC Registro acumulador: Es
un registro de tipo D mltiple (uno para cada bit del bus
de datos) el cual almacenar la salida del MBR cuando reciba un 1
lgico en la lnea X9.
IR Registro de instruccin: Es un registro de tipo D mltiple (uno
para cada bit del
bus de datos) el cual almacenar la salida del MBR cuando reciba
un 1 lgico en la lnea X1.
MAR Registro de direccionamiento de memoria: Es un registro de
tipo D mltiple (uno para cada bit del bus de direcciones) que se
cargar con la salida de PC o de la concatenacin de MBR y MBRAUX
(dependiendo del MUX 1). Su salida selecciona la localidad de
memoria a leer o escribir.
MBR Registro buffer de memoria: Es un registro de tipo D mltiple
(uno para cada bit
del bus de datos) que se cargar con la salida de ACC o del
contenido de la direccin de memoria activa (dependiendo del MUX 2).
Su salida puede ser enviada a casi todos los dems registros y a la
ALU. Cabe sealar que todo que vaya a ser ledo o escrito a memoria
tiene que pasar a travs del MBR.
CCR Registro de cdigo de condiciones: Es un registro de tipo D
mltiple (uno para
cada bandera) que almacena informacin que indican el estado de
la ltima operacin que realiz el ALU.
T Registro de tiempos: Es un registro contador. Su funcin es la
de dar los tiempos
de cada parte de la instruccin (microinstruccin). Cada vez que
recibe un pulso de reloj se incrementa hasta que recibe un 1 lgico
en la lnea de clear (fin de
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instruccin), entonces se pone en cero de nuevo para que el
procesador inicie la ejecucin de la instruccin siguiente.
ALU Unidad de aritmtica y lgica; Realiza el procesamiento de la
informacin. Es un
circuito con 3 entradas de varios bits; dos de las cuales son
los datos que se procesarn de acuerdo a lo indicado por la tercera
entrada. La salida es el resultado de la operacin seleccionada y
las condiciones de salida de esta operacin (acarreo, sobreflujo,
cero, signo, etc).
Unidad de control: Es la encargada de generar las seales que
forman las
microinstrucciones (salidas X), estas se producen de acuerdo a
la instruccin que se ejecutando (IR) y al tiempo en que se
encuentre esta instruccin (T).
Figura 2: Esquema de la arquitectura interna de un procesador
bsico.
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Microinstrucciones Las proposiciones en un lenguaje de alto
nivel, nos ocultan en gran medida el proceso que sigue el
procesador para realizar sus operaciones. Esto permite que el
programador se concentre ms en el problema a resolver que en las
operaciones que realiza el procesador. Ya se vio que cada
proposicin puede convertirse en una o ms instrucciones del juego de
instrucciones del procesador. De la mismo forma, cada una de las
instrucciones del juego de instrucciones de un procesador se
descompone en grupos de instrucciones mas sencillas llamadas
microinstrucciones. Al conjunto de microinstrucciones que conforman
cada instruccin (del procesador) se llama microprograma. El uso de
instrucciones permite que los componentes internos del procesador
sean invisibles para el programador, y slo maneje los registros que
tienen relacin con el programa. Las microinstrucciones que el
procesador bsico propuesto puede realizar son sumamente sencillas,
como por ejemplo, la transferencia de informacin de un registro a
otro. Las microinstrucciones se producen activando alguna lnea X
determinada; por ejemplo para incrementar el PC, la lnea X5 debe
ponerse en 1. para enviar el contenido del PC al registro MAR, debe
ponerse en 1 la lnea X6, etc. Microprogramas para cada instruccin
Un microprograma es la secuencia de microinstrucciones que se deben
producir para que una instruccin del procesador se realice. Para
definir la secuencia de las microinstrucciones, se debe considerar
qu instruccin se est ejecutando y en qu tiempo o etapa se encuentra
la instruccin. El registro IR indica que instruccin se est
ejecutando y el contador T indica el tiempo. El microprograma
define el comportamiento de la unidad de control que produce las
seales X. Cada lnea o rengln del microprograma define bajo que
condiciones de entrada de seales q y t se deben producir alguna
seal X, esto se representa en la forma: Condicin de entrada: Salida
X Por ejemplo: t3q4: MAR PC Indica que la microinstruccin MAR PC
debe efectuarse cuando el contador de tiempo sea 3 y el registro IR
tenga un 4 (cdigo de la operacin). Otra forma de verlo es: Cuando
IR = 4 y T = 3, la salida X6 debe ser 1 (al activarse X6 se carga
MAR con el valor de PC). El contador T se incrementar por cada
pulso de reloj desde cero (al inicio de la instruccin) hasta que se
limpie debido a una seal de X10 = 1 (clear) producida por la
microinstruccin T 0, la cual es la ltima microinstruccin de la
instruccin, esto se repite peridicamente para cada instruccin del
procesador.
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El registro de instruccin IR se carga con el cdigo de la
instruccin a ser ejecutada mediante las primeras tres
microinstrucciones, esta es la forma en que el procesador
identifica la instruccin, a estas microinstrucciones se les conoce
como ciclo fetch o de bsqueda de cdigo. Posteriormente IR define
que instruccin se est realizando, de tal forma que para tiempos
mayores de 2, IR determina que microinstruccin corresponde a cada
tiempo. Ciclo fetch: t0: MAR PC t1: MBR M, PC PC + 1 t2: IR MBR T
igual a cero es condicin suficiente para que se realice la
microinstruccin MAR PC. Despus del pulso de reloj, T es igual a uno
y esto es condicin suficiente para que se realicen las
microinstrucciones MBR M y PC PC + 1. En el siguiente pulso de
reloj T, es igual a dos, y se realiza la microinstruccin IR MBR. En
este momento IR contiene el cdigo de la instruccin a ser realizada
y PC apunta la direccin inmediata a este. Cuando T sea igual a
tres, se realizar la microinstruccin cuyas condicin sea t3 and OPR,
donde opr es el contenido de IR. Despus se incrementar T y se
ejecutar t4OPR, y as hasta que T sea puesta en cero, y el ciclo se
inicia de nuevo con la siguiente instruccin cuando T es igual a
cero.
