Conceptos Clave en Arquitectura de Computadoras: Un Resumen Técnico

Conceptos Clave en Arquitectura de Computadoras

Este documento resume conceptos fundamentales en arquitectura de computadoras, incluyendo unidades de medida, tiempos de ejecución, y señales de control.

Unidades de Medida y Conversiones

Se definen las siguientes unidades de medida:

• KB: 10³
• MB: 10⁶
• GB: 10⁹
• TB: 10¹²

Y sus prefijos menores:

• Mili: 10^-3
• Micro: 10^-6
• Nano: 10^-9
• Pico: 10^-12

Tiempo de Reloj y Frecuencia

El periodo mínimo de reloj de un procesador está determinado por el camino crítico de la instrucción más lenta (por ejemplo, load).

La frecuencia máxima se calcula como el inverso del periodo de reloj mínimo: f = 1/T.

Caminos Críticos de Instrucciones

Se detallan los caminos críticos para diferentes tipos de instrucciones:

• Camino load: Mem. Inst. – Banco reg. – Mux – ALU – Mem. Dat. – Mux
• Camino addi: Mem. Inst. – Banco reg. – Mux – ALU – Mux
• Camino beq: Mem. Inst. – Banco reg. – Mux – ALU – (puerta) – Mux
• Camino sw: Mem. Inst. – Banco reg. – Mux – ALU

Tiempos de Señales y Latencias

• RegWrite: Tarda como máximo todo el ciclo de reloj menos la latencia de la memoria de instrucciones: t = T – Latencia de instrucciones.
• MemRead: Debe estar lista cuando la ALU obtenga la dirección de memoria que se ha de leer. El tiempo para obtener la señal es: Banco reg. + Mux – ALU = Y.
• Porcentaje de aumento: (X – Y) / T

Instrucciones Específicas

• bne: La ALU resta el primer registro menos el segundo.
• lw: En la ALU, toma como operandos el contenido de Rs y el desplazamiento con signo extendido (16 bits con signo extendido).

Bifurcaciones

En el caso de una bifurcación:

• Si la condición de bifurcación se cumple, el nuevo contador de programa (PC) se calcula sumando al PC actual incrementado el desplazamiento (los 16 bits de la instrucción con signo extendido) y desplazando 2 lugares a la izquierda: Nuevo PC = PC+4+(16 bits inst. signo ext <<2).
• Si no es una bifurcación, el mux selecciona la dirección que ha de cargarse en el contador: Nuevo PC = PC+4.

Registros

• Los identificadores de registro que aparecen en las entradas Read Register corresponden a los números que aparecen en los campos Rs y Rt.
• En la entrada Write register aparecerá el número de registro donde se deposita el resultado; en lw es Rt.
• Salida del bloque “Shift Left 2” con lw: Serán los últimos 16 bits de la palabra de instrucción, con signo extendido a 32 bits y <<2. Para lw, esta salida no es útil porque es de bifurcación y no se tiene en cuenta el resultado del sumador.
• Write data entrada: salida Read data 2 (contenido del registro Rt) con beq no es útil, no escribe en memoria.

Señales de Control

Se presenta una tabla resumen de las señales de control para diferentes instrucciones:

For.R lw sw beq

• RegDst 1 0 X X
• RegWrite 1 1 0 0
• Branch 0 0 0 1
• ALUSrc 0 1 1 0
• MemRead 0 1 0 0
• MemtoReg 0 1 X X
• MemWrite 0 0 1 0

Procesamiento Segmentado (Pipeline)

En un procesador segmentado:

• T = mayor latencia + registro de segmentación.
• F = 1/T

Fiabilidad y Disponibilidad

• MTBF (Mean Time Between Failures) = MTTF (Mean Time To Failure) + MTTR (Mean Time To Repair)
• Disponibilidad = MTTF / MTBF

Etapas del Pipeline y Señales

Se muestra la generación de señales en las etapas del pipeline:

• RegWrite MemWrite MemRead ALUSrc MemtoReg
• Etapa del pipeline se genera: ID ID ID ID ID
• Etapa se emplea: WB MEM MEM EX WB
• Retrocede la señal: SI NO NO NO NO
• Cuantos ps dispone para generarla: 1 ciclo

Valores de señal para instrucciones específicas:

• Valor señal addi: 1 0 0 1 1
• Valor señal ori: 1 0 X 1 1
• Valor señal or: 1 0 X 0 1