El camino de datos (DataPath)

La ruta de datos

·         Todo algoritmo se descompone en una serie de operaciones básicas:

ü  Aritméticas

ü  Lógicas

ü  Desplazamientos y rotaciones

·         La ruta de datos (“datapath”) es el conjunto de unidades funcionales que procesan los datos

La ruta de datos debe incluir tantos elementos de almacenamiento como registros sean visibles por el programador. Además, puede tener otros elementos de almacenamiento transparentes.

 Debe incluir tantos tipos de elementos operativos como tipos de operaciones de cálculo se indiquen en el repertorio de instrucciones. El significado de cada instrucción vendrá dado por un conjunto de transferencias entre registros. La ruta de datos debe ser capaz de soportar dichas transferencias.

La unidad de control

La unidad de control (UC) es el componente del procesador que dirige y coordina el flujo de datos a través del procesador. Se encarga de interpretar cada una de las instrucciones generadas por un programa y después inicia las acciones apropiadas para llevar a cabo las instrucciones. Los tipos de componentes internos que la UC dirige incluyen la Unidad lógico y aritmética, los registros y los buses.

La unidad de control recibe como entradas:

ü  una instrucción,

ü  el contador de fases,

ü  su estado actual, recogido en un registro de estado.

Genera como salida todas las señales de control para cada fase. La señal de Reset coloca la UC de nuevo en el estado inicial.

 

Los Registros

                Un procesador contiene pequeñas ubicaciones de almacenamiento de alta velocidad llamados registros, que de manera temporal contienen datos e instrucciones. Los registros son parte del procesador, no parte de la memoria o de algún dispositivo de almacenamiento. Las funciones de un registro incluyen el almacenamiento de la ubicación de donde una instrucción fue buscada, almacena una instrucción mientras la unidad de control la decodifica, almacena los datos mientras que la Unidad aritmético y lógica (ALU) realiza los cálculos y almacena el resultado de las operaciones llevadas a cabo.

Se denomina registro a una serie de flip-flops agrupados y con señales de control común. Se considera que se leerán o escribirán como una unidad.

Se muestra a continuación un registro de largo 4, con controles de preset y reset (o clear) asincrónicos, y con reloj común. Se asume que el grupo es disparado por canto de subida.

                                                                 Registro de cuatro bits.

              Un esquema de un registro con habilitación de escritura, dispositivo muy empleado para almacenar variables locales en un procesador

La señal de control Write Enable habilita el registro para escritura. Con el canto de subida del reloj, estando WE = 1, se escribe (o carga) el registro con los datos de entrada. Cuando WE = 0, el registro conserva su valor (queda en modo hold). Un diseño comercial similar al que se muestra, es el 74LS173, que además tiene salida de tercer estado. La celda básica del registro resulta más simple si el flip-flop es JK, ya que naturalmente éste permanece en modo hold con J=0 y K = 0.

Puede anotarse la transferencia como:

WE: Q = D;

también suele usarse:

WE: Dà Q o bien: WE: Qß D.

La señal de control que produce la transferencia es WE. La señal WE debe estar estable durante el tiempo de setup del registro.

                              Registro con habilitación de escritura.

La ALU o unidad aritmético lógica

                Consiste en un circuito digital que permite realizar operaciones aritméticas y lógicas entre dos números.
                ALU viene del inglés y es acrónimo de Arithmetic Logic Unit. En español, la unidad aritmético lógica vendría a ser una especie de circuito que tiene la capacidad de calcular operaciones como adición, substracción u otras como NOT y XOR.

                Una ALU puede encontrarse en todo tipo de circuitos y dispositivos electrónicos. Por ejemplo, en un reloj de pulsera digital que permite la adición de un segundo en forma constante. Pero también y en cantidad en un complejo circuito de microprocesador moderno. Otros ejemplos se encuentran en tarjetas gráficas, de sonido o video, equipos de TV de alta definición, y lectoras de CD.

                En 1945 John P. Eckert y John W. Mauchly dieron vida a este concepto. Más tarde, John von Neumann publicaría un informe al respecto, explicando la necesidad de una ALU para el uso de una computadora en operaciones matemáticas básicas.

                Típicamente, una unidad aritmético lógica está compuesta por un circuito operacional, un registro de entradas, un registro acumulador y un registro de estados. Estas entidades permiten el correcto funcionamiento de la ALU y, por ejemplo, son responsables de la resolución de operaciones aritméticas de números enteros, operaciones lógicas de bits, operaciones de desplazamiento de bits y otras más complejas. Entre estas últimas pueden contarse, por caso, calcular la raíz cuadrada, emular a un coprocesador y múltiples otras.

                Otro circuito similar al de una unidad de este tipo es el FPU o Floating Point Unit, que realiza operaciones aritméticas pero para números en representación de punto flotante, los cuales son más complejos y sofisticados.

                El esquema de una ALU en general incluye a A y B como operandos, R como salida, F como entrada de la unidad de control, y D como estado de la salida.

Esquema general de una ALU.

 

Segmentación

La ejecución de una instrucción pasa por varias etapas:

1. Búsqueda de Instrucción.

2. Decodificación.

3. Búsqueda de Operandos.

4. Ejecución.

5. Almacenamiento de Resultados.

En un procesador NO segmentado las instrucciones se ejecutan secuencialmente.

En un procesador SEGMENTADO cuando una instrucción termina por una etapa, esa etapa la ocupa la siguiente instrucción

·         Tras un intervalo de tiempo se termina de ejecutar una instrucción en cada ciclo de reloj.

• ·         No se reduce el tiempo de ejecución de la instrucción.
• ·         􀂾Mejora la PRODUCTIVIDAD: Nº instruccion por unidad de tiempo.
• ·         Se reduce el TIEMPO MEDIO DE EJECUCIÓN de las instrucciones.

• ·         En un procesador segmentado ideal, la velocidad se multiplicaría por el nº de etapas en que está segmentado.
• ·         La segmentación involucra gastos.
• ·         Aceleración: mejora en tiempo de ejecución de una maquina segmentada, frente a la misma no segmentada.

    La Arquitectura de computadoras

     Amdahl definió en 1964 la arquitectura de un computador como "la apariencia funcional que presenta a sus usuarios inmediatos. Es decir, los atributos o características de sistema visibles  al programador.

     La arquitectura de un procesador viene dada por su juego de instrucciones. y normalmente se define en documentos descriptivos, que IBM llamaba "principios de Operación", aunque cada fabricante le da un nombre distinto. En estos manuales se identifican las operaciones (denominadas instrucciones máquina) realiza el procesador correspondiente. Ayudándose de la sintaxis en ensamblador, describe la operación que realiza, los tipos de datos u operandos que utilizar, los códigos de condición que establece y el formato la instrucción en su representación binaria.

     La "organización o estructura" de un computador se refiere a la estructura lógica que da forma a su arquitectura. La arquitectura describe lo que sucede, mientras la organización describe cómo sucede.

 

Referencias

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Luis Entrena, C. L. (11 de febrero de 2017). http://ocw.uc3m.es. Obtenido de http://ocw.uc3m.es/tecnologia-electronica/electronica-digital/espanol_pdf/tema-10.-introduccion-a-los-sistemas-digitales-y-los-microprocesadores

Mendias Cuadros, J. M. (19 de Octubre de 2000). http://www.fdi.ucm.es. Obtenido de http://www.fdi.ucm.es/profesor/mendias/512/docs/tema16.pdf

Monterrey, u. v. (11 de febrero de 2017). www.cca.org.mx. Obtenido de www.cca.org.mx/cca/cursos/cucfc/modulo2/tema2/-02.html

Silva, L. (19 de enero de 2010). http://www2.elo.utfsm.cl. Obtenido de http://www2.elo.utfsm.cl/~lsb/elo211/clases/c15.pdf
Paco(Enero 2017). http://www.dia.eui.upm.es/asignatu/arq_com/Paco/1-Introduccion.pdf