Arquitectura de Von Neumann

Microprocesadores y el
procesamiento de datos.
Ing. en Tecnología de Desarrollo de Software
Paradigmas Tecnológicos
Arquitectura de Von Neumann
Javier Aguilar Parra.

¿Cómo esta formada una computadora? ¿Cómo funciona un microprocesador?

CPU
La Unidad Central de Procesamiento, es
el componente principal del ordenador
y otros dispositivos programables, que
interpreta las instrucciones contenidas
en los programas y procesa los datos
Se compone de lo siguiente:
· Memoria
· Unidad aritmética lógica
· Unidad o procesador de control

MEMORIA PRINCIPAL
(interna o central).
Se almacenan datos y programas, hay
dos operaciones que se hacen en la
memoria (lee y escribe) entonces se
dice que es donde almacena, se lee y
se escribe.
Es un conjunto de células numeradas y
dos registros especiales con los que
realiza las transacciones.
El registro de dirección que indica el
numero de la célula afectada y el de
intercambio que contiene la
información leída o la que hay que
escribir en la célula de cuestión.

UNIDAD ARITMÉTICA
LÓGICA
La unidad aritmética lógica opera
los datos que recibe siguiendo las
indicaciones por la unidad de
control. Esta unidad puede realizar
operaciones aritméticas lógicas.

UNIDAD DE CONTROL
La unidad de control es el autentico
cerebro que controla y coordina el
funcionamiento de la computadora.
A raíz de la interpretación de las
instrucciones que integran el
programa esta unidad genera el
conjunto de ordenes elementales
necesarias para que se realice la
tarea necesitada.

MICROPROCESADOR
Es el circuito integrado más
importante, de tal modo, que se
le considera el cerebro de una
computadora.
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Ciclo de instrucción.
Ciclo de búsqueda.
Ciclo de ejecución.

1.- Bloque de registros de propósito general
• Los registros del procesador, se usan para
contener los datos con que se está trabajando
puesto que el acceso a los registros es mucho
más rápido que los accesos a memoria. Se
pueden realizar operaciones aritméticas y
lógicas, comparaciones, entre otras. Se
pueden hacer estas operaciones con todos los
registros excepto los de segmento, el IP, y los
flags.
• Aparte del uso general de los registros para
hacer cálculos aritméticos y lógicos, existen
instrucciones que usan estos registros con un
uso particular especializado

2.- Bloque de registros de segmento y registro IP
• Los registros del procesador, se usan para
contener los datos con que se está trabajando
puesto que el acceso a los registros es mucho
más rápido que los accesos a memoria. Se
pueden realizar operaciones aritméticas y
lógicas, comparaciones, entre otras. Se
pueden hacer estas operaciones con todos los
registros excepto los de segmento, el IP, y los
flags.
• No es posible acceder a una posición de
memoria no definida por algún segmento: si
es preciso, habrá de moverse alguno.
• El registro IP indica la instrucción actual
dentro del segmento de código que se está
ejecutando actualmente en la memoria.

3.- Sumador de direcciones
• Realiza la suma necesaria para el
direccionamiento indexado, implementamos
en la CPU un sumador dedicado sólo a esta
tarea, de esta forma no usamos tiempo de la
ALU.

4.-Bus de direcciones:
• Es un canal del microprocesador donde se
establece la dirección de memoria del dato en
tránsito. El bus de dirección consiste en el
conjunto de líneas eléctricas necesarias para
establecer una dirección.

5.- Queue o cola de instrucciones:
• Es una pila donde las instrucciones son
almacenadas antes de que la unidad de
ejecución las ejecute.

6.- Unidad de control
• Este elemento del microprocesador es el que
se encarga de ejecutar las instrucciones,
comprende el conjunto de registros de
propósito general, el registro de banderas y la
unidad aritmético-lógica.

7.- Interfaz del bus
• La mayoría de los buses están basados en
conductores metálicos por los cuales se
trasmiten señales eléctricas que son enviadas
y recibidas con la ayuda de integrados que
poseen una interfaz del bus dado y se
encargan de manejar las señales y entregarlas
como datos útiles.

8.- Bus de datos interno
• Este es un bus bidireccional, pues los datos
pueden fluir hacia o desde la CPU.
• Se usa para transmitir otra información
además de los datos
• Es decir, el bus de datos es compartido en el
tiempo ó multiplexado.
• Usualmente el computador transmite un
caracter por cada pulsación de reloj que
controla el bus (bus clock), el cual deriva sus
pulsaciones del reloj del sistema (system
clock). Algunos computadores lentos
necesitan hasta dos pulsaciones de reloj para
transmitir un caracter.

9.- Unidad aritmético lógica (ALU)
• ALU: La unidad Aritmético-Lógica es un
circuito digital que calcula operaciones
aritméticas (suma, resta, multiplicación y
división ) y operaciones lógicas
(comparación). Es, quizás, la pieza más
importante del microprocesador.

10, 11, 12.- Bus de direcciones, datos y
control externos
• Estos procesadores multiplexan en tiempo el
bus de direcciones, con el bus de datos y
control.
• El bus de direcciones es un canal del
microprocesador totalmente independiente
del bus de datos donde se establece la
dirección de memoria del dato en tránsito.
• El bus de datos transmiten los bits de forma
aleatoria de manera que por lo general un bus
tiene un ancho que es potencia de 2.
• El bus de control gobierna el uso y acceso a
las líneas de datos y de direcciones. Mejor
dicho, es el que permite que no haya colisión
de información en el sistema.

Ciclo de instrucción
• Un ciclo de instrucción, también llamado
fetch-and-execute (búsqueda y ejecución) es
el período que tarda un microprocesador en
ejecutar una instrucción.
• Se divide en dos etapas: Ciclo de búsqueda y
ciclo de ejecución.
• Las instrucciones se clasifican, según su
función, en:
- Instrucciones de transferencia de datos.
- Instrucciones de cálculo.
- Instrucciones de transferencia del control
del programa.
- Instrucciones de control.

Ciclo de búsqueda
Búsqueda de la instrucción:
• Lo primero que realiza el microprocesador en
un ciclo de instrucción, es buscar la
instrucción en la memoria principal (RAM).
• El registro apuntador de instrucciones, tiene
almacenada la dirección de la próxima
instrucción a ejecutar.
• Cuando la instrucción fue hallada, el
microprocesador pasa la instrucción de la
memoria principal a través del bus de datos al
Registro de Datos de Memoria (MDR).
• A continuación, lo registrado allí es colocado
en el Registro de Instrucción Actual (CIR), un
circuito que guarda la instrucción
temporalmente de manera que pueda ser
decodificada y ejecutada.

Ciclo de búsqueda
Decodificación de la instrucción:
• La segunda y última acción comprendida en el
ciclo de búsqueda es decodificar la
instrucción. El dato es enviado a una Unidad
de Decodificación, que decodifica la
instrucción que se va a ejecutar. Es decir, el
decodificador traduce la instrucción para
saber, justamente, qué instrucción es.

Ciclo de ejecución
Ejecución de la instrucción:
• Una vez que la unidad de decodificación sabe
cuál es el significado de la instrucción leída de
memoria, se lo comunica a la Unidad de
Ejecución. Esta unidad será la encargada de
consumar la ejecución y para ello activará las
señales necesarias y en un orden
determinado. Es decir, es la encargada de dar
las órdenes necesarias a las diversas partes
del microprocesador para poder ejecutar cada
una de las instrucciones.

Ciclo de ejecución
Almacenamiento de los resultados:
• La última acción que se realiza en el ciclo de
instrucción, es el almacenamiento de los
resultados. El resultado generado por la
operación es almacenado en la memoria
principal (RAM) o enviado a un dispositivo de
salida, según la instrucción.
Basándose en los resultados de la operación,
el contador de programa se incrementa para
apuntar a la siguiente instrucción o se
actualiza con una dirección diferente donde la
próxima instrucción será recogida.

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