LA  MAQUINA  RUDIMENTARIA

 

            1. ESTRUCTURA BÁSICA DE UN COMPUTADOR

 

      En los ordenadores se puede distinguir el hardware (circuitos integrados, placas, cables, etc.) y el software que consta de algoritmos, y su representación en el ordenador son los programas. La visión actual del ordenador esta jerarquizada:

      -Nivel 1: Lógica digital. Este nivel corresponde a la máquina física. Sus circuitos son sistemas lógicos que realizan funciones lógicas elementales. Este nivel permite comprender el funcionamiento de los distintos bloques en que se ha dividido el computador y las conexiones de estos.

      -Nivel 2: Microprogramación.

      -Nivel 3: Lenguaje máquina. Este nivel constituye el primer nivel de programación. Para facilitar la programación a nivel de Lenguaje máquina, los usuarios disponen de un intérprete simbólico, llamado ensamblador. El Lenguaje Ensamblador es la representación simbólica del lenguaje de programación del Nivel de Lenguaje Máquina.

      -Nivel 4: Sistema operativo. Facilita el uso del computador, escondiendo al usuario la dificultad de su utilización desde el nivel inferior. El sistema operativo esta formado por un conjunto de programas, necesarios para la correcta administración de los recursos del ordenador

      -Nivel 5: Lenguajes de alto nivel.

      -Nivel 6: Usuario o aplicaciones.

 

      ARQUITECTURA TIPO VON NEUMANN

 

      En un ordenador tipo Von Neumann, los datos y las instrucciones están almacenados en la memoria del computador. La arquitectura Von Neumann está formada por tres bloques, interconectados entre sí por conjuntos de cables denominados buses:

      -Memoria principal: encargada de almacenar instrucciones y datos. Hay dos tipos: RAM (se puede leer y escribir y en caso de apagar el ordenador pierden su contenido) y ROM (solo se pueden leer y su contenido no se pierde al apagar el ordenador).

      -Procesador: encargado de la ejecución de instrucciones. Se compone de dos unidades:

      ·Unidad de Proceso (UP) que contiene las unidades de cálculo, los registros internos y los caminos de conexión entre estos elementos. Realiza todos los cálculos requeridos por las instrucciones de la máquina. Posee una Unidad Aritmético/Lógica (UAL o ALU), Registros y buses internos a la UP.

      ·Unidad de Control (UC) que interpreta las instrucciones, generando las señales de control para coordinar el funcionamiento del resto de unidades del computador.

      -Unidad de Entrada/Salida: transfiere información entre la memoria y el exterior. Hace de enlace entre la CPU y los equipos periféricos.

      TIPOS DE BUSES:

      -Bus de Datos: se transportan los datos y instrucciones. El tamaño en bits de los datos e instrucciones, así como el del bus de datos, es una de las características principales del ordenador.

      -Bus de Direcciones: las direcciones son números naturales que indican la posición de los datos dentro de la memoria principal o del espacio de direcciones de la unidad de entrada/salida. Las direcciones son generadas por la CPU, que es quien decide a qué dato se debe acceder en cada momento.

      -Bus de control: a través de este bus se transmiten las señales de control del sistema. Suele incluir el reloj de la máquina, señales de sincronización  entre la CPU y las demás unidades.

 

            2. DESCRIPCIÓN DE LA ARQUITECTURA DE LA MR

 

      La Máquina Rudimentaria (MR) es de arquitectura Von Neumann. La MR ejecuta  programas guardados en la memoria, que también contiene los datos requeridos pro los programas.

 

      LA MEMORIA

 

 

      La memoria esta organizada en 256 posiciones de 16 bits cada una. Al contenido de una posición de memoria se le denomina palabra o word.

      La memoria de la MR recibe los datos a través del bus de entrada M_in y los envía a la CPU a través del bus M_out. Ambos buses son de 16 bits. Para acceder a una posición de memoria es preciso poner su dirección en el bus de direcciones @. Este bus es de 8 bits. La señal `L/E, de un bit indica si se escribe o se lee.

      La MR trabaja con datos numéricos enteros, codificados en Ca2 en 16 bits.

      Las instrucciones de la MR se codifican en 16 bits, de modo que cada posición de memoria puede contener indistintamente una instrucción o un dato.

 

      LA CPU

 

      Para ejecutar una instrucción, la MR lee la instrucción de la posición de memoria en la que se encuentra y la escribe en un registro especial de UP, de 16 bits, denominado Registro de instrucciones.

      La ALU suma, resta, desplaza a la derecha y realiza la función AND. También evalúa si la operación realizada ha sido un cero o un negativo. El resultado de esta evaluación se guarda en 2 registros de un bit denominados flags de condición. El flag N guarda un 1 si el resultado es un negativo y 0 en caso contrario. El flag Z guarda un 1 si el resultado ha sido 0 y guarda 0 en caso contrario.

      La UP además contiene 8 registros de 16 bits para almacenar datos, numerados desde el R0 al R7. El RO contiene siempre un 0 y no puede ser escrito.

      Las instrucciones de la MR se ejecutan secuencialmente, en el orden en que están almacenadas en la memoria. A esta forma de ejecución se la denomina secuenciamiento implícito.

      La MR dispone de instrucciones especiales que permiten romper el secuenciamiento implícito, estas instrucciones son denominadas instrucciones de salto. Hay dos tipos de instrucciones de salto: salto incondicional y de salto condicional. El salto condicional depende de los valores de los flags de condición.

      Con el fin de realizar el secuenciamiento implícito la UP debe conocer la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar. Para ello dispone de un registro especial denominado Contador de Programa (PC) de 8 bits.

      La Unidad de Control se encarga de controlar el secuenciamiento de las operaciones realizadas en la UP para que las instrucciones del programa se ejecuten correctamente. Recibe 3 entradas de la UP y envía 12 bits de salida hacia la UP para controlar los módulos que la forman.

 

      LOS BUSES

 

      Estos realizan la comunicación entre la CPU y memoria. En la MR los buses tienen las siguientes características:

      -El bus de datos está dividido en dos:

      ·Un bus de 16 bits para transportar los datos de la CPU a la memoria.

      ·Un bus de 16 bits para transportar los datos de la memoria a la CPU.

      -El bus de direcciones es de 8 bits, y va sólo de la CPU a la memoria.

      -El bus de control tiene únicamente la señal que, en cada ciclo, indica a la memoria si la operación que se realiza es de lectura o de escritura.

 

            3. NIVEL LENGUAJE MÁQUINA

 

      Las  instrucciones del Lenguaje Máquina (LM) son conjuntos de unos y ceros que deben ser interpretados digitalmente.

      La arquitectura de la MR es RISC (Reduced Instruction Set Computer). Este tipo de arquitectura se basa en tener un juego de instrucciones reducido y simple, pero que permite resolver cualquier tipo de problema.

      INSTRUCCIONES DEL LM DE LA MR

 

      Instrucciones Aritmético-lógicas

 

      La MR ofrece seis instrucciones aritmético-lógicas, que realizaran cuatro operaciones distintas, suma, resta, desplazamiento aritmético (multiplicación por dos) y and-lógica.

      En las instrucciones aritméticas los datos son interpretados como números enteros codificados en Ca2. Don números positivos y negativos de 16 bits.

      La UP obtiene los datos para ejecutar las instrucciones de su banco d registros o de la propia instrucción. El resultado se guarda en un registro del banco del mismo banco de registros.

      Las seis instrucciones aritmético-lógicas:

      -Suma - ADD: realiza la suma aritmética de dos números de 16 bits. Los dos operandos a sumar se encuentran en registros del BR.

      -Resta - SUB: realiza la resta aritmética de dos números de 16 bits. Los dos operandos se encuentran en registros del BR

      -Desplazamiento a la derecha - SRL: desplaza un bit a la derecha un número de 16 bits que se encuentra en un registro del BR. EL resultado se guarda en otro registro. El bit de más peso del número se ha de replicar en el resultado para realizar para realizar la extensión de signo, necesaria si se trabaja con números enteros representados en Ca2. El resultado de un desplazamiento de un bit a la derecha es equivalente a una división por dos.

      -And-lógica - AND: realiza una and-lógica de dos números de 16 bits. Los operandos se encuentran en registros del BR.

      -Suma con inmediato - ADDI: realiza la suma aritmética de dos números pero un operando se encuentra en un registros y el otro se especifica en la propia instrucción como un número entero de 5 bits.

      -Resta con inmediato - SUBI: resta de dos número pero el minuendo procede de un registro y el sustrayendo se especifica en la propia instrucción como un número entero de 5 bits.

      Información a codificar en el formato de estas instrucciones:

      -CO: identificador único de grupo de instrucción. Se identifica con dos bits. CO es 11 para las instrucciones aritmético-lógicas. 00 o 01 acceso a memoria y 10 para las instrucciones de salto.

      -Rd: codificación del registro del BR en el que se guarda el resultado. Con 3 bits codificamos los 8 registros.

      -Rf1: codificación del registro en el que se encuentra un operando fuente. De 3 bits. La instrucción SRL no utiliza este campo pues solo necesita una dato.

      -Rf2: codificación del registro en el que se halla el otro operando fuente. De 3 bits.

      -Número: operando fuente que se especifica en la propia instrucción, de nominado inmediato. De 5 bits.

      -OP: identificador de instrucción dentro del grupo de las aritmético/ lógicas. Hacen falta 3 bits. Los códigos son:

      -100: Suma

-101: Resta

-110: Desplazamiento aritmético a la derecha.

-111: And lógica

-000: Suma con inmediato

-001: Resta con inmediato.

      Las instrucciones que tienen operandos fuente en registros del BR necesitan 14 bits pero como las instrucciones se almacenan en memoria, cuya palabra es de 16 bits, sobran 2 bits que se ponen a cero.

      Las instrucciones que tienen uno de los operandos en la propia instrucción y el otro operando en un registro necesitan los 16 bits de la palabra

Formato de las instrucciones de suma y resta con inmediato.

 

Formato de las instrucciones de suma, resta, desplazamiento a la derecha y and lógica.

 

      Instrucciones de Acceso a Memoria

 

      El acceso a memoria ha de permitir leer y escribir datos en la memoria procedentes de registros.

      La MR ofrece dos instrucciones de acceso a memoria:

      -Lectura - LOAD: permite traer a la UP un dato de 16 bits almacenado en una determinada posición de la memoria. El dato se copia en un registro del BR, y se actualizan los flags de condición. La posición se calcula durante la ejecución de la instrucción.

      -Escritura - STORE: lleva a memoria desde el BR de la UP un dato de 16 bits. El dato se escribe  en una determinada posición de memoria. Esta instrucción no modifica los flags de condición.

      La dirección de un dato se calcula como suma de dos valores:

            dirección_acceso = dirección_base + desplazamiento

      En las instrucciones de acceso a memoria se han de especificar los elementos necesarios que permitan calcular la dirección de memoria de donde leer el dato o donde escribir el dato:

      -la dirección base se especifica en la instrucción como un número natural de 8 bits.

      -el desplazamiento se halla en un registro cuyo número identificador, de 3 bits, se halla en la instrucción.

      También se ha de especificar el registro del que leer el dato para escribirlo en memoria, o en el copiar el dato que procede de memoria. El identificador es de 3 bits.

      Para identificar  el LOAD y el STORE se han de usar los 2 bits del código de operación (CO). El CO que identifica la instrucción LOAD es 00, mientras que el CO del STORE es 01.

 2   3   3       8

CO

Rx

Ri

Dirección_Base

Formato de las instrucciones LOAD(00) y STORE (01)

 

                           contiene desplazamiento

                           registro destino o fuente