Arquitectura de Computadors: CPU, Memòria i Perifèrics

Arquitectura General d'un Computador

Computador

Sistema digital per al processament genèric d'informació.

Memòria

Emmagatzema les dades a processar i els resultats (intermedis i finals). Utilitza una tecnologia específica.

Unitat Central de Processament (CPU)

Efectua el processament de les dades.

Característiques de la CPU

• Mida petita.
• Alta fiabilitat.
• Baix cost.

Operacions Elementals de Maneig de Dades

• Transferència de dades.
• Operacions aritmètiques.
• Operacions lògiques.

Perifèrics

Dispositius que s'encarreguen d'una tasca per ajudar a la CPU.

Registres dels Perifèrics

• Registre de Control: Configuració del dispositiu.
• Registre d'Estat: Informa de l'estat.
• Registre de Dades: La CPU hi posa informació o llegeix els resultats.

Estructura de la CPU

Unitat de Procés

Maneig de dades a partir de les operacions de la Unitat Aritmètico-Lògica (ALU). Generació de l'adreçament de dades. Conjunt de registres que emmagatzemen els operands i els resultats (acumulador, índex, ...).

Unitat de Control

Maneig de les instruccions (funcions + operands) a partir d'un controlador intern que genera microinstruccions que governen els recursos de la unitat de procés. Inclou:

• Registre d'Instruccions (IR).
• Registre d'Estat (SR).
• Comptador de Programes (PC).
• Punter de Pila (SP).

Estructura Lògica de la Memòria

Taula de Contingut

Contingut: Paraula de memòria. Posició: Adreça de memòria. Capacitat: Paraules de memòria.

Accés als Continguts

Accés per adreça/posició de memòria: lectura o escriptura.

Estructura General d'un Computador

Un computador basat en un microprocessador funciona com un mestre (CPU) i un o més esclaus (memòria i perifèrics). El mestre gestiona el bus del sistema i accedeix a la memòria i/o als perifèrics. Els esclaus reben ordres del mestre i les executen.

Tipus de Microprocessadors Segons la Seva Funcionalitat

• RISC: Repertori reduït d'instruccions de ràpida execució.
• CISC: Repertori complex d'instruccions, les quals poden requerir molt de temps d'execució.
• SISC: Repertori d'instruccions específic per a determinades aplicacions.

Arquitectura Von Neumann vs. Harvard

Mapa de Memòria

• Cada adreça permet seleccionar una única posició de memòria o registre en un perifèric.
• El mapa de memòria fa que s'accedeixi de forma independent a un sol perifèric alhora gràcies al bus del sistema.
• L'operació de lectura o escriptura d'un perifèric ha de complir que el temps d'accés de la CPU sigui major que el temps de resposta del perifèric (T_{accés CPU} > T_{resposta perifèric}).
• Si el temps de cicle de la CPU és molt ràpid, llavors cal incloure cicles d'espera per tal de poder esperar el temps de resposta del perifèric més lent.

Jerarquia de Memòria

• Localitat Temporal: Si un element ha estat accedit recentment, molt probablement es tornarà a accedir.
• Localitat Espacial: Si un element ha estat accedit, molt probablement s'accedirà a un de proper.
• Memòria Cau (caché): Memòria més ràpida i de menor capacitat. Per a augmentar el rendiment, en les zones més baixes de la jerarquia (accessos més ràpids) s'emmagatzemen les dades més properes en espai i en temps.
• Una major taxa d'encerts en els accessos de la CPU a la memòria cau determina el rendiment del sistema.

DMA (Accés Directe a Memòria)

Permet el traspàs d'informació directa entre els blocs de memòria als perifèrics sense intervenció de la CPU. Utilitza cicles en què la CPU no accedeix al bus del sistema o bé els seus propis busos. Combinant-ho amb la jerarquia de memòria, s'aconsegueixen velocitats properes a les de les memòries més ràpides.

Adreçament

Tipus d'Adreçament

• Implícit o Inherent: Instruccions que poden operar amb un únic registre intern de la CPU. Exemple: INC A.
• Immediat: Instruccions que contenen una dada amb què operarà la CPU. Exemple: LDA #100h.
• Directe: Instruccions que contenen l'adreça, o part de l'adreça, de memòria on es troba la dada amb què operarà la CPU. Exemple: LDA 300Ah.
• Indirecte: Una part de la instrucció serveix per a indicar a la CPU el registre intern, que no és l'operand, el qual conté l'adreça de l'operand. Exemple: LDA *16h.
• Relatiu al PC: Al registre PC se li suma un valor indicat en la instrucció.
• Indexat: Al registre PC se li suma un valor indicat en un registre índex.
• Absolut: Al registre PC es copia un valor indicat en la instrucció.

Interrupcions

• Per Sondeig (Polling): En acabar una funció, el perifèric activa una bandera en un registre que la CPU pot llegir.
• Per Interrupció: Quan alguna línia d'entrada a la CPU és habilitada per un dispositiu extern o bé la genera la pròpia CPU. S'acaba d'executar la instrucció actual i es salta a una rutina d'atenció a la interrupció programada per l'usuari. En acabar, es torna al punt d'execució en què es va aturar.

Tipus d'Interrupcions

• Vectoritzades: El PC es carrega amb un valor prèviament assignat a aquella interrupció (posició fixa) on comença a executar-se la rutina.
• Autovectoritzades: El PC es carrega amb un valor emmagatzemat en una posició assignada a aquella interrupció, on l'usuari guarda l'adreça de començament de la rutina d'interrupció.
• Reset: Conjunt d'operacions que porten a la CPU a un estat inicial conegut. El PC s'inicialitza apuntant al vector de reset (reset vectoritzat) o emprant el contingut del vector de reset (reset autovectoritzat).

DSP

Tipus de CPU

• Microcontroladors: Microprocessadors que gestionen un o més processos. Normalment no gaire ràpids, barats i orientats a controlar processos industrials. Poden incloure memòria RAM (dades), ROM/PROM/EPROM/EEPROM/FLASH (programes de control). Perifèrics com ara temporitzadors, canals sèrie i paral·lel i convertidors A/D i D/A, etc.
• Microprocessadors: Microprocessadors amb elevada capacitat de processament. Dissenyats per a l'execució de programes i disposen de perifèrics externs per a l'emmagatzemament massiu de dades (memòries òptiques o magnètiques). Integren memòries semiconductores cau per a mitigar els problemes de la lentitud de l'accés a memòries externes.
• DSP: Microprocessador per al tractament digital de senyal en temps real. Gran capacitat de realització d'operacions aritmètiques en el menor temps possible. Optimitzats per a fer operacions de filtrat, correlació, anàlisi espectral, etc.
• Alternativa ASIC/FPGA: Permeten la màxima flexibilitat, ja que es dissenya totalment la circuiteria interna. Cost i temps de desenvolupament elevat, parcialment reduït amb el "System-on-Chip". Permeten explotar al màxim el paral·lelisme del hardware i optimitzar els recursos.

Característiques dels DSP

• Funcionalitat: DSP tipus RISC.
• Arquitectura: Tipus Harvard millorada, segmentada o VLIW per a accelerar l'execució dels programes.
• Zona de Maneig de Dades DSP: Estructura interna orientada a registre, es disminueix el nombre de transferències entre l'acumulador i la zona de maneig de dades. Posseeix diversos operadors aritmètics independents.

Selecció d'un DSP

• Format de Dades:
  • Punt Fix: Nombres enters i fraccions representats en un rang fix (n bits). Més simple, menor cost, consum i mida.
  • Punt Flotant: Mantissa i exponent en base binària. Major rang dinàmic. Més complex, major cost, consum i mida.
• Amplada de Dades: Una major amplada permet execucions més ràpides, però augmenta la mida i complica l'arquitectura.
• Velocitat:
  • MIPS: Milions d'operacions per segon.
  • MFLOPS: Milions d'operacions en punt flotant per segon.
  • MMACS: Milions d'operacions de multiacumulació per segon.
• Organització de la Memòria: La jerarquia de memòria emprant memòries cau augmenta el rendiment dels sistemes a costa de fer-los més complexos.
• Taxonomia del Processador: La segmentació de les instruccions o bé el grau de paral·lelisme influeixen en la velocitat d'execució.
• Consum: Fonamental en aplicacions portàtils. Es pot gestionar l'activitat de parts dels circuits i la freqüència de funcionament.
• Cost: Depèn del circuit, el seu encapsulat i la quantitat adquirida.
• Entorn de Desenvolupament:
  • Eines Software: Compiladors, enllaçadors, depuradors, biblioteques, etc.
  • Eines Hardware: Kits de disseny i emuladors.