CPU
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Este documento describe la arquitectura básica de la CPU y sus evoluciones. Explica que la CPU está compuesta de tres unidades: la unidad de control, la unidad aritmético lógica y los registros. También describe las arquitecturas Von Neumann, Harvard, RISC y CISC. Finalmente, introduce los conceptos de arquitectura multinúcleo, hyperthreading y multiprocesamiento, explicando que permiten ejecutar múltiples hilos de forma concurrente para mejorar el rendimiento.
CPU
- 1. Secretaría de Educación Pública Subsecretaría de Educación Superior Dirección General de Educación Superior Tecnológica INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIZIMIN ARQUITECTURA DE COMPUTDORAS Tema “CPU” Que presenta: CHAN LOPEZ DULCE TUN TUT MIRIAM NAHUAT AY JACOB POOT CAB DIEGO JESUS MAY VERDE ÁNGEL Carrera: INGENIERÍA EN INFORMÁTICA CATEDRÁTICO: HERZEN CORDERO AVILA Tizimín, Yucatán, agosto de 2014
- 2. 1.1 ARQUITECTURA BÁSICA Y SUS OPERACIONES
- 3. CPU El microprocesador (o simplemente procesador) es el circuito integrado central y más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele asociar por analogía como el «cerebro» de un computador. Es un circuito integrado constituido por millones de componentes electrónicos. Constituye la unidad central de procesamiento (CPU) de un PC catalogado como microcomputador.
- 4. LA CPU ESTÁ CONFORMADA POR TRES UNIDADES DIFERENTES Unidad de Control (UC): La unidad de control se encarga de leer de la memoria las instrucciones que debe de ejecutar y de secuenciar el acceso a los datos y operaciones a realizar por la unidad de proceso. Unidad Aritmética Lógica o ALU. Es la parte de la CPU encargada de realizar las transformaciones de los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de una serie de módulos que realizan operaciones aritméticas y lógicas. El Registro, el almacenamiento de los resultados a la ejecución de las instrucciones en la memoria principal podría ser lento y excesivamente tendría muchos datos en el sistema de interconexión con la memoria. PC IR MAR
- 5. EN UN MICROPROCESADOR SE PUEDE DIFERENCIAR DIVERSAS PARTES:
- 6. EL ENCAPSULADO LA MEMORIA CACHE Es la comunicación del microprocesador con el exterior a través del patillaje de microprocesador, estas señales viajarán por el bus del sistema que comunican con el procesador con los demás componentes situados en la placa base. viene a ser un espacio reservado dentro del procesador, lugar donde se guardas procesos que son de uso regular y que tiene por finalidad ocuparlos y cargarlos rápidamente desde la memoria para la aplicación.
- 7. COPROCESADOR MATEMÁTICO LOS REGISTROS Esta parte esta considerada como una parte “lógica” junto con los registros, la unidad de control, memoria y bus de datos. Un grupo de registros ésta diseñado para control del programador y hay otros que no son diseñados para ser controlados por el procesador pero que CPU los utiliza en algunas operaciones en total son treinta y dos registros.
- 8. LA MEMORIA LOS PUERTOS Tanto los datos como las instrucciones están almacenados en memoria, y el procesador los toma de ahí. La memoria es una parte interna de la computadora y su función esencial es proporcionar un espacio de trabajo para el procesador. son aquellos que se utilizan para conectar diversos dispositivos independientemente de sus funciones. Los puertos generalmente tienen más de un uso en la computadora e inclusive en dispositivos que no se conectan directamente al equipo.
- 9. 1.2 Tipos de arquitecturas en la evolución del CPU.
- 10. Arquitectura von Neumann Tradicionalmente los sistemas con microprocesadores se basan en esta arquitectura, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria principal única donde se guardan las instrucciones del programa y datos.
- 11. • En un sistema con arquitectura Von Neumann el tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. • Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria.
- 12. Las principales limitaciones que nos encontramos con la arquitectura Von Neumann son: ● La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos, que hace que el microprocesador tenga que realizar varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas. ● La limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para datos e instrucciones que no deja acceder simultáneamente a unos y otras, lo cual impide superponer ambos tiempos de acceso
- 13. Arquitectura Harvard Este modelo, que utilizan los microcontroladores PIC, tienen la unidad central de proceso (CPU) conectada a dos memorias por medio de dos buses diferentes.
- 14. • Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos). • Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones.
- 15. Ventajas ● El tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa. ● El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.
- 16. Una de las primeras decisiones a la hora de diseñar un microprocesador es decidir cuál será su juego de instrucciones. • La decisión por dos razones; primero, el juego de instrucciones decide el diseño físico del conjunto; segundo, cualquier operación que deba ejecutarse en el microprocesador deberá poder ser descrita en términos de un lenguaje de estas instrucciones.
- 17. Frente a esta cuestión caben dos filosofías de diseño; máquinas denominadas CISC y máquinas denominadas RISC.
- 19. Arquitectura RISC En la arquitectura computacional, RICS es un tipo de microprocesador con las siguientes características fundamentales: • Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos • Solo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos.
- 20. El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de las instrucciones y reducir los accesos a memoria. Las máquinas RISC protagonizan la tendencia actual de construcción de microprocesadores. RISC es una filosofía de diseño de CPU para computadora que está a favor de conjuntos de instrucciones pequeñas y simples que toman menor tiempo para ejecutarse.
- 21. Características ● Codificación uniforme de instrucciones, lo que permite una decodificación más rápida. ● Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y así simplificar el diseño del compilador. ● Modos de direccionamiento simple con modos más complejos reemplazados por secuencias de instrucciones aritméticas simples. ● Los diseños RISC también prefieren utilizar como característica un modelo de memoria Harvard, donde los conjuntos de instrucciones y los conjuntos de datos están conceptualmente separados.
- 22. Ventajas ● La CPU trabaja más rápido al utilizar menos ciclos de reloj para ejecutar instrucciones. ● Utiliza un sistema de direcciones no destructivas en RAM. Eso significa que a diferencia de CISC, RISC conserva después de realizar sus operaciones en memoria los dos operandos y su resultado, reduciendo la ejecución de nuevas operaciones. ● Cada instrucción puede ser ejecutada en un solo ciclo del CPU
- 23. Arquitectura CISC. En la arquitectura computacional CISC es un modelo de arquitectura de computadora. Los microprocesadores CISC tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos, en contraposición a la arquitectura RICS.
- 24. Este tipo de arquitectura dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC, llamadas generalmente microprocesadores.
- 25. Ventajas ● Reduce la dificultad de crear compiladores. ● Permite reducir el costo total del sistema. ● Reduce los costos de creación de software. ● Mejora la compactación de código. ● Facilita la depuración de errores.
- 27. ¿Que es? • Se refieren a microprocesadores que combinan dos o más núcleos independientes en un solo paquete ó circuito integrado, los cuales trabajan a la misma frecuencia. En general, los microprocesadores multinucleos permiten que un dispositivo computacional exhiba una cierta forma de paralelismo a nivel de "hilos".
- 28. Hyper Treading • Tecnología creada por Intel, para los procesadores Pentium 4 más avanzados. El Hyperthreading hace que el procesador funcione como si fuera dos procesadores. Esto fue hecho para que tenga la posibilidad de trabajar de forma multihilo (multithread) real, es decir pueda ejecutar muchos hilos simultáneamente. • Un procesador con la tecnología Hyperthreading tiene un 5% más de que el mismo procesador sin esa tecnología.
- 29. Procesadores multinúcleo Clases de procesadores multinucleo INTEL: • PentiPentium D están conformados por dos procesadores Pentium 4 Prescott sin Hyperthreadingum. • Core Duo • Core 2 Duo • Core2Quad Clases de procesadores multinucleo AMD: • Athlon 64 X2 • Opteron X2 • Turion X2 (Portatiles)
- 31. Multiprocesamiento Multiprocesamiento o multiproceso es tradicionalmente conocido como el uso de múltiples procesos concurrentes en un sistema en lugar de un único proceso en un instante determinado.
- 32. EJEMPLO: Como la multitarea que permite a múltiples procesos compartir una única CPU, múltiples CPUs pueden ser utilizados para ejecutar múltiples hilos dentro de un único proceso. • Los programas típicamente se escriben asumiendo que sus datos son incorruptibles. Sin embargo, si otra copia del programa se ejecuta en otro procesador, las dos copias pueden interferir entre sí intentando ambas leer o escribir su estado al mismo tiempo. • Para evitar este problema se usa una variedad de técnicas de programación incluyendo semáforos y otras comprobaciones y bloqueos que permiten a una sola copia del programa cambiar de forma exclusiva ciertos valores.
- 33. Multinúcleo Los procesadores multi núcleo son chips independientes que contienen dos o más procesadores o núcleos de ejecución distintos en el mismo circuito integrado. Aunque son independientes, su construcción les permite compartir tareas de forma interdependiente.
- 34. EJEMPLO: Los procesadores Intel Core 2 Duo incorporan dos núcleos de ejecución en un mismo paquete que ofrece, con el software adecuado, la ejecución totalmente paralela de varios subprocesos. Esto permite que cada núcleo funciona a una frecuencia menor, dividiendo la potencia normalmente asignada a un único núcleo. El resultado para el usuario no es sólo un procesamiento más rápido. Es… bueno, ¡que tu foto ya está lista! Mientras chateas. Y has imprimido un diseño arquitectónico. La tecnología de cuatro núcleos consiste en un único procesador que cuenta con cuatro núcleos. Piensa que son cuatro cerebros que están pensando al mismo tiempo pero que pueden trabajar juntos o por separado en una tarea grande, lo que se traduce en unos resultados más rápidos y eficientes.