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Estructura de Computadores

Tema 1. Introducción a los computadoresTema 1. Introducción a los computadores

Departamento de InformáticaGrupo de Arquitectura de Computadores, Comunicaciones y Sistemas

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

Page 2: tema1-12-13

Contenido

1. ¿Qué es un computador?2. Concepto de estructura y arquitectura3. Elementos constructivos de un computador4. Arquitectura Von Neumann5. Instrucciones máquina. Programación 6. Fases de ejecución de una instrucción

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 2

6. Fases de ejecución de una instrucción7. Parámetros característicos de un computador8. Evolución histórica

Page 3: tema1-12-13

¿Qué es un computador?

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 3

?

Page 4: tema1-12-13

¿Qué es un computador?

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 4

Page 5: tema1-12-13

Industria de los semiconductores

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 5

Fuente: embedded.com

Page 6: tema1-12-13

Tipos de procesadores

� Procesadores: 2% de la industria de los semiconductores

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 6

Fuente: embedded.com

de los semiconductores� Procesadores para PC: 2 % de todos

los procesadores� Un coche de tipo medio tiene una

docena de microprocesadores� Un BMW setie 7 tiene más de 65

Page 7: tema1-12-13

¿Qué es un computador?

Procesadordatos

Instrucciones

resultados

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 7

Instrucciones

� Máquina destinada a procesar datos.

Page 8: tema1-12-13

¿Qué es un computador?

Procesadordatos

Instrucciones

resultados

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 8

Instrucciones

� Desde el punto de vista matemático es una máquina abstracta que evalúa

}{ }{ mnf 1,01,0: →

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Estructura y arquitectura

� Estructura� Componentes de un computador� Organización de los componentes

� Arquitectura: atributos visibles para un programador� Juego de instrucciones que ofrece la máquina

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 9

� Juego de instrucciones que ofrece la máquina� Tipo y formato de datos que es capaz de utilizar el

computador� Número y tamaño de los registros� Técnicas y mecanismos de E/S� Técnicas de direccionamiento de la memoria

� Tecnología: cómo se construyen los componentes

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Clases de computadores

� Desktop: diseñados para ofrecer un buen rendimiento a un usuario final� Aspectos críticos:

� Precio vs. rendimiento� Rendimiento de gráficos

� Servidores: usados para ejecutar programas de gran tamaño y dar servicio a múltiples usuarios de forma simultánea� Aspectos críticos:

� Tasa de procesamiento: throughput� Disponibilidad� Escalabidilidad

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 10

Page 11: tema1-12-13

Clases de computadores

� Empotrados: computador dentro de otro sistema que ejecuta aplicaciones predeterminadas para controlar su funcionamiento (electrodomésticos, mp3, consolas de juegos, etc.) � Aspectos críticos:

� Precio� Precio� Consumo de energía� Rendimiento para una aplicación concreta

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 11

Page 12: tema1-12-13

Conceptos de repaso

� Sistema binario� Elementos constructivos de un computador

� Transistores� Puertas lógicas� Principales bloques conbinacionales� Principales bloques conbinacionales� Principales elementos secuenciales

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 12

Page 13: tema1-12-13

Sistema binario

� BinarioX = 1 0 1 0 0 1 0 1

... 27 26 25 24 23 22 21 20

� d31d30 ... d1d0 : nº de 32 bits (dígitos binarios)� Valor = d31× 231 + d30 × 230 + ... + d1 × 21 + d0 × 20

� Hexadecimal� HexadecimalY = 0x F 1 F A 8 0

... 165 164 163 162 161 160

� De binario a hexadecimal:� Agrupar de 4 en 4 bits, de derecha a izquierda� Cada 4 bits es el valor del dígito hexadecimal� Ej.: 1 0 1 0 0 1 0 1

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 13

0x A 5

Page 14: tema1-12-13

Pregunta

� ¿Cuántos códigos distintos se pueden codificar con 8 bits?

� ¿Cuántos bits hacen falta para representar 512 códigos?

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 14

Page 15: tema1-12-13

Transistor

E

A

E

A N-MOS P-MOS

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 15

B B

E funcionamiento

1 Conecta A con B (circuito abierto)

0 No conecta A con B (circuito cerrado)

E funcionamiento

0 Conecta A con B (circuito abierto)

1 No conecta A con B (circuito cerrado)

(valores lógicos)

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Puertas lógicas. Inversor (NOT)

E S

V3,3

E S E S

3.3 0 1 0

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 16

E S

0 3.3 0 1

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Puertas lógicas. NOR

A B C

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 17

Page 18: tema1-12-13

Puertas lógicas. OR

A B C

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 18

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Puertas lógicas. NAND

A B C

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 19

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Puertas lógicas. AND

A B C

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 20

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Bloques constructivos

� Circuitos combinacionales� La salida depende de los valores de entrada� Sin estado

� Circuitos secuenciales� La salida depende de la entrada y del estado actual

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 21

� La salida depende de la entrada y del estado actual� Almacenan información

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Decodificador

� N entradas, 2N salidas

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 22

Page 23: tema1-12-13

Multiplexor

� Selecciona con n bits, 2n entradas

A B C D

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 23

A B C D

MUX S1S0

S

Page 24: tema1-12-13

Elementos de memoria

Biestables R-S

� Elemento que almacena un bit

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 24

Page 25: tema1-12-13

Elementos de memoria

Biestables D

� Elemento que almacena un bit

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 25

Q

Q

C

D Q

C

Page 26: tema1-12-13

Elementos de memoria

Registro

� Elemento que almacena un conjunto de bits

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 26

Page 27: tema1-12-13

Esquema de un registro

Registro

Entrada

Carga

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 27

Registro Carga

Salida

Page 28: tema1-12-13

Memoria

••••••••

k = 2n

posiciones

Espacio de direcciones:Número de posiciones

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 28

••••••••••••

posiciones

m bits

Número de posiciones

Tamaño de cada posición:Número de bits por posición

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Componentes de un computador

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 29

Procesador Memoriaprincipal

Módulo de E/S Módulo de E/S

Periférico Periférico

Bus de controlBus de datos

Bus de direcciones

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Computador von Neumann

� Máquina capaz de ejecutar una serie de instrucciones elementales: instrucciones máquina� Instrucciones almacenadas en � Instrucciones almacenadas en

memoria � Leídas � Ejecutadas

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 30

Page 31: tema1-12-13

Arquitectura Von Neumann

Procesador Memoriaprincipal

Bus de controlBus de datos

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 31

Módulo de E/S Módulo de E/S

Periférico Periférico

Bus de datos

Bus de direcciones

Page 32: tema1-12-13

Memoria

Procesador Memoriaprincipal

Bus de control

Almacena:

� instrucciones

� datos

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 32

Módulo de E/S Módulo de E/S

Periférico Periférico

Bus de controlBus de datos

Bus de direcciones

Page 33: tema1-12-13

Memoria

Memoria

dirección Dato/instrucción

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

MAR MBR

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 33

Memoria

L E

MAR MBR

Registro de direcciones de memoria Registro de datos de memoria

Page 34: tema1-12-13

Procesador

Procesador

Memoriaprincipal

Registros

Unidad decontrol

ALU

Estructura que almacena un conjunto de bits

Realiza las operaciones

Ejecuta las instrucciones

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 34

Módulo de E/S Módulo de E/S

Periférico Periférico

Bus de controlBus de datos

Bus de direcciones

Page 35: tema1-12-13

Registros especiales

Procesador

Memoriaprincipal

Registros

Unidad decontrol

ALU

PC: contador de programa

RI: registro de instrucción

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 35

Módulo de E/S Módulo de E/S

Periférico Periférico

Bus de controlBus de datos

Bus de direcciones

Page 36: tema1-12-13

Unidad aritmético-lógica

� Realiza operaciones elementales sobre los datos:� Operaciones aritméticas� Operaciones lógicas

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 36

Page 37: tema1-12-13

Programa

� Secuencia consecutiva de instrucciones máquina

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 37

Page 38: tema1-12-13

Programa

� Secuencia consecutiva de instrucciones máquina

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

temp = v[k];

v[k] = v[k+1];

v[k+1] = temp;

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 38

Page 39: tema1-12-13

Ejecución de un programa

Disco

Memoria principal

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 39

Fichero ejecutable

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Procesador

PCRI

Page 40: tema1-12-13

Ejecución de un programa

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Disco

Memoria principal

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 40

Fichero ejecutable

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Procesador

PCRI

Page 41: tema1-12-13

Ejecución de un programa

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Disco

Memoria principal

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 41

Fichero ejecutable

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Procesador

PCRI

Page 42: tema1-12-13

Ejecución de un programa

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Disco

Memoria principal

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 42

Fichero ejecutable

00001001110001101010111101011000

10101111010110000000100111000110

11000110101011110101100000001001

01011000000010011100011010101111

Procesador

PCRI 00001001110

Page 43: tema1-12-13

Ejemplo

� Conjunto de instrucciones con las siguientes características:� Tamaño de una posición de memoria: 16 bits� Tamaño de la instrucción: 16 bits� Código de operación: 3 bits

� ¿Cuántas instrucciones diferentes puede tener este

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 43

� ¿Cuántas instrucciones diferentes puede tener este computador?

� Número de registros de propósito general: 4� Identificadores simbólicos:

� R0 � R1 � R2 � R3

� ¿Cuántos bits se necesitan para representar estos 4 registros?

Page 44: tema1-12-13

Ejemplo

� Conjunto de instrucciones con las siguientes características:� Tamaño de una posición de memoria: 16 bits� Tamaño de la instrucción: 16 bits� Código de operación: 3 bits

� ¿Cuántas instrucciones diferentes puede tener este

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 44

� ¿Cuántas instrucciones diferentes puede tener este computador? 8 instrucciones

� Número de registros de propósito general: 4� Identificadores simbólicos:

� R0 � R1 � R2 � R3

� ¿Cuántos bits se necesitan para representar estos 4 registros?� 2 bits

Page 45: tema1-12-13

Ejemplo. Juego de instrucciones

Instrucción Descripción

000EFABCDXXXXXXX Suma el registro AB con el CD y deja el resultado en EF

001AB00000000101 Almacena en el registro AB el valor 00000000101

010AB00000001001 Almacena en el registro AB el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001posición de memoria 00000001001

011AB00000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro AB

1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001

101ABCD000001001 Si el contenido del registro AB es igual al del registro CDse salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 45

Siendo A,B, C, D, E, F = 0 o 1

Page 46: tema1-12-13

Formato de una instrucción máquina

001 AB 00000000101

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 46

Page 47: tema1-12-13

Formato de una instrucción máquina

001 AB 00000000101

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 47

Códigode operación

Page 48: tema1-12-13

Formato de una instrucción máquina

001 AB 00000000101

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 48

Códigode operación

OperandosRegistros

Direcciones de memoria

Números

Page 49: tema1-12-13

Ejemplo. Juego de instrucciones

Instrucción Descripción

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01

0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101

0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la 0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001

0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001

1010100000001001 Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 49

Page 50: tema1-12-13

Ejemplo

� Instrucción que almacena un 5 en el registro 00

� Instrucción que almacena un 7 en el registro 01� Instrucción que almacena un 7 en el registro 01

� Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10

� Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal)

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 50

Page 51: tema1-12-13

Ejemplo

� Instrucción que almacena un 5 en el registro 00

� Instrucción que almacena un 7 en el registro 01

Instrucción Descripción

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01

0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101

0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001

0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001

1010100000001001 Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001

� Instrucción que almacena un 7 en el registro 01

� Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10

� Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal)

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 51

Page 52: tema1-12-13

Ejemplo

Solución

� Instrucción que almacena un 5 en el registro 00� 0010000000000101

� Instrucción que almacena un 7 en el registro 01

Instrucción Descripción

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01

0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101

0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001

0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001

1010100000001001 Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001

� Instrucción que almacena un 7 en el registro 01� 0010100000000111

� Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10� 000100001XXXXXXX

� Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal)� 0111010000000011

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 52

Page 53: tema1-12-13

Ejemplo de programa

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 53

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Page 54: tema1-12-13

Ejemplo de programa

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

Dirección de inicio

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 54

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Page 55: tema1-12-13

Inicio de la ejecución del programa

PC

RI

0001

000100

?

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

?

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 55

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Page 56: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 56

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 57: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000100

000100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 57

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 58: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000100

000100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 58

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 59: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000100

000100 0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 59

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 60: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 60

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 61: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 61

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 62: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 62

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 63: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 63

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 64: tema1-12-13

Ejecución de la instrucción

0010000000000000 RI

R0 0000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 64

Se carga en R0 (00) el valor 0Código de operación

Instrucción Descripción

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01

0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101

0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001

0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001

1010100000001001 Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001

Page 65: tema1-12-13

Ejecución de la instrucción

0100100000001001 RI

R1 MP[00000001001]

Instrucción Descripción

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01

0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101

0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001

0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001

1010100000001001 Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 65

R1 MP[00000001001]

00000001001 0000000000000101

Dirección Contenido

Se carga en R1 el contenido de la posición de memoria00000001001

Page 66: tema1-12-13

Ejecución de la instrucción

1000000000001000 RI

Instrucción Descripción

000010010XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en 01

0010100000000101 Almacena en el registro 01 el valor 00000000101

0100100000001001 Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria 00000001001

0110100000001001 Almacena en la posición de memoria 00000001001 el contenido del registro 01

1000000000001001 Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria 0000000001001

1010100000001001 Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en 000001001

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 66

PC 0000000001000

Se modifica el PC con la dirección 0000000001000

de forma que la siguiente instrucción a ejecutar es la que se encuentra en 0000000001000

Page 67: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 67

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 68: tema1-12-13

Fases en la ejecución de una instrucción

� Lectura de la instrucción (ciclo de fetch)� MAR PC� Lectura� MBR Memoria� PC PC + 1� RI MBR

PC

MAR MBR

RI

000101

000100 0010000000000000

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 68

� RI MBR

� Decodificación de la instrucción

� Ejecución de la instrucción� Volver a fetch

000100 0010000000000000

Dirección Contenido

Memoria

Page 69: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000100

?

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

?

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 69

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Page 70: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000100

?

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 70

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

Page 71: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000101

?

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 71

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

PC PC + 1

Page 72: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000101

?

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010000000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 72

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Decodificación

Page 73: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000101

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010000000000000

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 73

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Ejecución

R0 00000000000

Page 74: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000101

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010000000000000

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 74

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Page 75: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000101

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010100000000100

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 75

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

Page 76: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000110

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010100000000100

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 76

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

PC PC +1

Page 77: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000110

?

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010100000000100

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 77

011011

?

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Decodificación

Page 78: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000110

00000000100

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010100000000100

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 78

011011

00000000100

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Ejecución

R1 00000000100

Page 79: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000110

00000000100

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0010100000000100

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 79

011011

00000000100

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Page 80: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000110

00000000100

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0011000000000001

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 80

011011

00000000100

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

Page 81: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

000111

00000000100

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

0011000000000001

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 81

011011

00000000100

?

?

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

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Fetch

PC PC +1

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?

?

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0111100000100000

Decodificación

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Ejecución del programa

PC

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Dirección Contenido

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00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 83

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?

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Ejecución

R2 00000000001

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Ejecución del programa

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Dirección Contenido

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00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 84

011011

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0111100000100000

Fetch

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Ejecución del programa

PC

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Dirección Contenido

0011100000000000

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 85

011011

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?

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0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

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Ejecución del programa

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Dirección Contenido

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ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 86

011011

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?

000111

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Fetch

PC PC +1

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Ejecución del programa

PC

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Dirección Contenido

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00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 87

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?

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1000000000001000

0111100000100000

Decodificación

Page 88: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

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Dirección Contenido

0011100000000000

00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 88

011011

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1000000000001000

0111100000100000

Ejecución

R3 00000000000

Page 89: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

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0011100000000000

Dirección Contenido

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00000000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 89

011011

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1010001000001100

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0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Page 90: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

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0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

1010001000001100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 90

011011

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0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

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Ejecución del programa

PC

RI

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0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

1010001000001100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 91

011011

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0111100000100000

Fetch

PC PC +1

Page 92: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

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0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

1010001000001100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 92

011011

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00000000001

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1000000000001000

0111100000100000

Decodificación

Page 93: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

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00000000100

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000101

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0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

1010001000001100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 93

011011

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0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

EjecuciónSi el contenido del registro 01 es igual

al del registro 00 se salta a ejecutar la

instrucción almacenada en 000001100

Page 94: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

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0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

1010001000001100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 94

011011

00000000100

00000000001

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1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Page 95: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

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0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0001111100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 95

011011

00000000100

00000000001

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0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

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Ejecución del programa

PC

RI

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001010

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0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0001111100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 96

011011

00000000100

00000000001

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0111100000100000

Fetch

PC PC + 1

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Ejecución del programa

PC

RI

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0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0001111100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 97

011011

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1000000000001000

0111100000100000

Decodificación

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Ejecución del programa

PC

RI

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001010

00000000100

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0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0001111100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 98

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

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1000000000001000

0111100000100000

Ejecución

R3 R3 + R2

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Ejecución del programa

PC

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0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0001111100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 99

011011

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00000000001

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1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Page 100: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

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000100

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0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0000000100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 100

011011

00000000100

00000000001

00000000001

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001001

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001011

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0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

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Ejecución del programa

PC

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0010000000000000

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0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0000000100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 101

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

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1000000000001000

0111100000100000

Fetch

PC PC +1

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Ejecución del programa

PC

RI

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0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000000

0000000100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 102

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

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0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Decodificación

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Ejecución del programa

PC

RI

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00000000100

000100

000101

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0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000001

0000000100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 103

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

001000

001001

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001011

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0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Ejecución

R0 R0 + R2

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Ejecución del programa

PC

RI

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0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000001

0000000100000000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 104

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

001000

001001

001010

001011

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1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

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Ejecución del programa

PC

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000100

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000110

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0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000001

1000000000001000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 105

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

001000

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0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

Lectura de la Inst.

Page 106: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

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00000000100

000100

000101

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0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000001

1000000000001000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 106

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

001000

001001

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001011

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1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Fetch

PC PC +1

Page 107: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

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00000000100

000100

000101

000110

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0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000001

1000000000001000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 107

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

001000

001001

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001011

001100

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1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Decodificación

Page 108: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

001100

00000000100

000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000001

1000000000001000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 108

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

001000

001001

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001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

EjecuciónSe salta a ejecutar la instrucción

almacenada en la posición de memoria 0000000001000

Page 109: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

0001000

00000000100

000100

000101

000110

000111

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0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

00000000001

1000000000001000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 109

011011

00000000100

00000000001

00000000001

000111

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1010001000001100

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0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

EjecuciónPC 0000000001000

Page 110: tema1-12-13

Ejecución del programa

PC

RI

0001

0001000 000100

000101

000110

000111

0010000000000000

0010100000000100

0011000000000001

0011100000000000

Dirección Contenido

1000000000001000

00000000001

00000000100

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 110

011011

000111

001000

001001

001010

001011

001100

0011100000000000

1010001000001100

0001111100000000

0000000100000000

1000000000001000

0111100000100000

Continúa la ejecución

00000000100

00000000001

00000000001

Page 111: tema1-12-13

Algoritmo del programa anterior

i=0;s = 0;while (i < 4){s = s + 1;i = i + 1;

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 111

i = i + 1;}

El programa almacena en la posición de memoria 00000100000

el valor: 1 + 1 + 1 + 1

Page 112: tema1-12-13

Programa en lenguaje ensamblador

li R0, 0li R1, 4li R2, 1li R3, 0

bucle: beq R0, R1, fin

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 112

bucle: beq R0, R1, finadd R3, R3, R2add R0, R0, R2b bucle

fin: sw R3, 100000

Page 113: tema1-12-13

Secuencia de ejecución de instrucciones

Ejecución de

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 113

Lectura de la instrucción

Arranque

Parada

DecodificaciónEjecución dela instrucción

Page 114: tema1-12-13

Microprocesador

� Incorpora las funciones de la CPU de un computador en un único circuito integrado

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 114

Page 115: tema1-12-13

Ley de Moore

� El número de transistores por

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 115

� El número de transistores por chip se dobla cada dos años.

Page 116: tema1-12-13

Ley de Moore

� Doblar la densidad implica reducir lasdimensiones de sus elementos en un 30%

� En 1971 el Intel 4004 tenía 2300 transistorescon tamaños de 10 micrometros

� Hoy en día se consiguen chips con

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 116

� Hoy en día se consiguen chips contransistores de < 20 nanometros

� Para cumplir la ley de Moore se necesita tecnología cuyo precio se dobla cada 4.4 años

Page 117: tema1-12-13

Intel 4004 (1971)

� Usado en calculadoras� Tecnología de 10000 nm� 2300 transitores� 108 KHz� Datos de 4 bits� Datos de 4 bits

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 117

Page 118: tema1-12-13

Intel Core i7 (2009)

� Usados en desktop y servidores� Tecnología de 45 nm� 774M de transisotres� 3.2 GHz a 3.6 GHz� Datos de 128 bits� Datos de 128 bits� 4 instrucciones por ciclo� Tres niveles de caché� Cuatro núcleos

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 118

Page 119: tema1-12-13

Proceso de fabricación

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 119

Page 120: tema1-12-13

Evolución de los microprocesadores de

Intel

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 120

Fuente: Communications of the ACM

Page 121: tema1-12-13

Rendimiento de las memorias

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 121

Fuente: Communications of the ACM

Page 122: tema1-12-13

Rendimiento de la memoria

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 122

Fuente: Communications of the ACM

Page 123: tema1-12-13

Evolución de las cachés

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 123

Fuente: Communications of the ACM

Page 124: tema1-12-13

Análisis del rendimiento de los

procesadores

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 124

Fuente: Communications of the ACM

Page 125: tema1-12-13

Diferentes arquitecturas multicore

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 125

Fuente: Communications of the ACM

Page 126: tema1-12-13

Movimiento de datos y consumo de energía

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 126

Fuente: Communications of the ACM

Page 127: tema1-12-13

Eficiencia energética y voltaje

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 127

Fuente: Communications of the ACM

Page 128: tema1-12-13

Mejoras en la tecnología

� Memoria� Capacidad de DRAM: 2x / 2 años (desde 96);

64x en la última decada� Procesador

� Velocidad: 2x / 1.5 años (desde 85); � Velocidad: 2x / 1.5 años (desde 85); 100X en la última decada.

� Discos � Capacidad: 2x / 1 año (desde 97)

250X en la última decada.

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 128

Page 129: tema1-12-13

Parámetros característicos de un

computador

� Ancho de palabra� Memoria principal o Memoria RAM� Memoria auxiliar� Ancho de banda� Ancho de banda� MIPS� MFLOPS

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 129

Page 130: tema1-12-13

Prefijos

Nombre Abr Factor SI

Kilo K 210 = 1,024 103 = 1,000

Mega M 220 = 1,048,576 106 = 1,000,000

Giga G 230 = 1,073,741,824 109 = 1,000,000,000

Tera T 240 = 1,099,511,627,776 1012 = 1,000,000,000,000

Peta P 250 = 1,125,899,906,842,624 1015 = 1,000,000,000,000,000

Exa E 260 = 1,152,921,504,606,846,976 1018 = 1,000,000,000,000,000,000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 130

Exa E 2 = 1,152,921,504,606,846,976 10 = 1,000,000,000,000,000,000

Zetta Z 270 = 1,180,591,620,717,411,303,424 1021 = 1,000,000,000,000,000,000,000

Yotta Y 280 = 1,208,925,819,614,629,174,706,176

1024 = 1,000,000,000,000,000,000,000,000

Page 131: tema1-12-13

Ejercicio

� ¿Cuántos bytes almacena un disco duro de 250 GB ?

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 131

Page 132: tema1-12-13

Prefijos

Nombre Abr Factor SI

Kilo K 210 = 1,024 103 = 1,000

Mega M 220 = 1,048,576 106 = 1,000,000

Giga G 230 = 1,073,741,824 109 = 1,000,000,000

Tera T 240 = 1,099,511,627,776 1012 = 1,000,000,000,000

Peta P 250 = 1,125,899,906,842,624 1015 = 1,000,000,000,000,000

Exa E 260 = 1,152,921,504,606,846,976 1018 = 1,000,000,000,000,000,000

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 132

� 1 KB = 1024 bytes, pero en el SI es 1000 bytes� Los fabricantes de disco duros y en telecomunicaciones emplea el SI.

� Un disco duro de 30 GB almacena 30 x 109 bytes� Una red de 1 Mbit/s transfiere 106 bps.

Exa E 2 = 1,152,921,504,606,846,976 10 = 1,000,000,000,000,000,000

Zetta Z 270 = 1,180,591,620,717,411,303,424 1021 = 1,000,000,000,000,000,000,000

Yotta Y 280 = 1,208,925,819,614,629,174,706,176

1024 = 1,000,000,000,000,000,000,000,000

Page 133: tema1-12-13

Evolución histórica

� http://www.computerhope.com/history/� http://www.computerhistory.org/� http://www.computersciencelab.com/ComputerHistory/History

.htm� Museo Histórico de la Informática (FI-UPM)

ARCOS-UC3M Estructura de Computadores 133

� Museo Histórico de la Informática (FI-UPM)� Museo de Informática “García-Santesmases” (UCM)� Buscar en google: “Computer history”